Système d’asservissement et contrôle de la section d’essai

Dans le but de pouvoir totalement contrôler l’expérience, un code Labview a été développé (Version Labview15) sur un chassis CompactRIO sous 3 couches différentes qui communiquent entre elles. La partie FPGA (Field-Programmable Gate Array) qui permet de cadencer à haute fréquence et qui permet un contrôle optimal, la partie RT (Real Time) qui permet d’ordonner les différentes tâches et boucles du programme précisément et la partie Utilisateurs pour configurer les différents paramètres utiles et envoyer les commandes (Figure 2.50).

Le chassis CompactRIO 9035 possède plusieurs modules (un pour la lecture des données des thermocouples, un pour la lecture analogique des autres données et un dernier module pour générer des tensions et communiquer avec l’alimentation) et moyens de communication avec l’ordinateur. Ici c’est le port éthernet qui a été choisi. Pour plus d’informations techniques à propos du chassis, le lecteur peut se référer aux données du fabricant [2].

Il existe deux procédés pour obtenir les phénomènes de l’ébullition transitoire. La puissance peut être imposée ou bien la température peut être contrôlée.

Figure 2.50 – Contrôle haute cadence.

directement avec une alimentation. Cependant, ce dispositif ne permet pas d’étudier toutes les phases de l’ébullition transitoire, notamment l’ébullition en film sur des temps longs.

— Le contrôle en température : dispositif efficace qui permet de stabiliser l’ébullition en film sur la paroi pour des températures raisonnables pour la section d’essai. Néanmoins, il est nécessaire de commencer les tests en ébullition nucléée pour s’affranchir du déclen- chement de l’ébullition (la résistance du clinquant varie trop lentement avant l’ONB). Un contrôle de signaux qui permet de telles études est la mise en place d’un système d’asservissement P.I.D. Un tel système relie un signal de commande u(t) à un signal d’écart

ǫ(t) qui est défini comme ǫ(t)=Vcons-Vmes(t) où Vmesest la valeur mesurée et Vconsest la valeur

de consigne imposée. Deux régulateurs P.I.D sont alors utilisés pour contrôler l’alimentation électrique de la section d’essai.

Contrôle en puissance

Pour étudier l’ébullition transitoire, en premier lieu, la puissance est imposée sous forme de créneau. Cela permet d’étudier l’évolution de la température de paroi simplement puisque le flux généré par effet Joule est constant. Une consigne en intensité est alors imposée. Cependant, dans ce cas là, le signal de puissance n’est pas tout à fait stable car la résistance de la paroi augmente fortement pour les fortes températures.

D’où la mise en place d’un P.I.D de puissance avec des gains qui ont été déterminés expéri- mentalement et qui sont par défaut imposés à P=6.3, I=0.05, D=0. Ce P.I.D. est assez souple pour imposer des signaux de plusieurs types, figure 2.51.

Ainsi, des méthodes de régulation en puissance classique de type créneau ou rampe (Montée et Descente) ont été implémentés. En ce qui concerne l’exponentielle de puissance, elle est imposée de la forme q=qo”exp(t/τ), avec τ le temps caractéristique de l’exponentielle (en

général pris entre 5 et 100 ms).

On différencie donc les cas stationnaires, les cas de transitoire lents et les transitoires rapides. Les cas stationnaires sont obtenus pour des flux générés par effet Joule faibles. En effet, pour des Φgende l’ordre au maximum de 5.104W.m−2, ce sont les régimes monophasique ou d’ébullition

nucléée qui prennent place où la température reste stable aux temps longs.

Lorsque les puissances imposées sont un peu plus importantes, la température n’est plus stable aux temps longs et continue d’augmenter.

Il est possible d’atteindre l’ébullition en film avec un flux généré Φgenimportant comme sur

Figure2.51 – Différents types de signaux imposés par le contrôle en puissance.

Figure 2.52 – Transitoire lent à puissance imposée pour un nombre de Reynolds = 13 500 et une température de liquide Tl de 25oC avec phase de saturation de la caméra.

La figure 2.53 montre quelques visualisations de la caméra rapide couplée à la caméra infrarouge pour ces différentes phases.

Figure 2.53 – Images obtenues avec la caméra Infra-Rouge et avec la caméra Rapide.

Tout d’abord, en phase 1, il y a le régime de convection transitoire qui est un régime mo- nophasique qui tend vers une température constante, figure 2.53 a). La visualisation suivante montre le champ de température quelques dizaines de millisecondes après le déclenchement de l’ébullition (ONB), figure 2.53 b). Visuellement, il est difficile de différencier le régime d’ébul- lition nucléée et le régime d’ébullition en film lorsque l’écoulement est autant perturbé. Il y a une large gamme de tailles de bulles (de quelques centaines microns au millimètre) à haute température. Seule la courbe d’ébullition permet de vérifier que ce régime observé sur la figure 2.53 b) correspond à l’ébullition en film pendant le chauffage, c’est la phase 3. La figure 2.53 c) montre le régime d’ébullition en film lorsque la température diminue (phase 5). Il y a une grande différence entre l’ébullition du film pendant le chauffage et pendant le refroidissement. Le film de vapeur est stable et épais, des vagues se déplacent dans le sens de l’écoulement principal de la section. Le transfert de chaleur transitoire dans un régime d’ébullition de film est particulièrement intéressant pour étudier le problème RIA dont l’intégrité de la gaine n’est plus assurée lors de ce régime. La figure 2.53 d) montre la fin de l’essai après le remouillage de la paroi avec l’ébullition nucléée (phase 6).

Pour de telles puissances imposées, l’établissement d’une ébullition en film lors de la phase 3-4 a pour conséquence d’augmenter très fortement la température de paroi. Il y a alors un danger pour la section d’essai, il devient nécessaire de couper la puissance sinon l’étanchéité peut ne plus être assurée. Or la connaissance du transfert de chaleur en fonction de la cinétique de chauffe est particulièrement intéressante pour la problématique du RIA lors de cette phase. Seul un contrôle en température permet une étude approfondie de ce régime d’ébullition. Contrôle en température

Le P.I.D. relie le signal de commande R(t,T) qui fait intervenir la puissance (proportionnelle à I2_{) à un signal d’écart ǫ(t) qui est défini comme ǫ(t)=T}

cons-Tmes(t) où Tmesest la température

mesurée moyenne sur le clinquant et Tcons est la température de consigne imposée. Un schéma

du principe d’asservissement est donné figure 2.54.

Pour connaître la température, deux méthodes ont été utilisées. Une avec un thermocouple placé directement sur le clinquant. Du fait du temps de réponse trop important du thermo-

Figure 2.54 – Essai type avec un thermocouple.

couple et d’une erreur importante sur la température maximale d’une rampe (de l’ordre de 25 %, figure 2.55), une autre méthode sans retard, plus précise et non intrusive est mise en place à partir de la mesure de la résistance du clinquant. En effet, la résistance R du clin- quant est une fonction linéaire de la température pour une gamme de température donnée, R=Ro+(Tw− Tref) .a, avec R la résistance du système, Ro = 0,031 Ω la résistance à la tempé-

rature de référence Tref et a le coefficient de résistivité électrique = 7,1.10−5Ω.K−1. Donc en

contrôlant I, on contrôle la résistance R (U étant fixée) puis la température T, figure 2.56a. Comme la résistance est une mesure directement liée au clinquant, le temps de réponse est quasiment instantané avec un écart faible sur la température maximale (inférieure à 5%). La figure 2.56b montre que la résistance lors des tests est bien linéaire avec la température pour des écarts de températures T - Tref inférieures à 30oC. Elle met aussi en évidence le retard du

thermocouple par rapport à la caméra infrarouge, alors que le contrôle en résistance suit bien la rampe de température imposée. La régulation basée sur la mesure de la résistance est donc privilégiée.

Les gains du P.I.D. en température sont plus compliqués à déterminer que ceux du contrôle en puissance. En effet, ils dépendent de ce que l’on veut étudier. Pour des rampes de tempéra- ture, deux cas se distinguent :

Pour des transitoires très rapides (> 100 K.s−_{1), seul un gain Proportionnel suffit (entre 100} et 500, à ajuster selon les essais). Ce gain est aussi valable pour les créneaux de température.

En ce qui concerne les transitoires plus lents (< 100 K.s−1_{), d’autres gains sont nécessaires} et sont imposés avec P=2,I=0.003,D=1e9.

Avec ce dispositif, la température peut être contrôlée lors de l’ébullition en film, figure 2.57. On démarre par la phase 2 car il est nécessaire de commencer les tests lorsque l’ébullition nucléée est apparue. Le P.I.D. n’arrive pas à suivre pour des températures trop faibles, l’évolu- tion de la résistance de la paroi est trop faible pour ces températures. En augmentant petit à petit la température, le flux critique va être atteint et laisser place à l’ébullition en film (phase

Figure 2.55 – Essai type avec un thermocouple.

(a) (b)

Figure 2.56 – a) Résistance en fonction de la température et b) essai type avec la résistance.

3-4). Mais contrairement au contrôle en puissance, la température ne va plus diverger et va rapidement atteindre un palier. L’ébullition en film se stabilise alors sur plusieurs secondes (phase4-5) sans obligatoirement arrêter l’essai. Ensuite, la température rediminue et le liquide remouille en laissant place à de l’ébullition nucléée sur la paroi (phase 6).

Dans ce cas-là, le flux généré n’est plus du tout constant et admet des chutes brutales de puissance pour pouvoir correctement suivre les consignes en température et maintenir cette ébullition en film. Le seul moyen pour le P.I.D. de faire diminuer la température est de remettre la puissance à la valeur de consigne qui correspond au minimum que l’alimentation puisse imposer.

Figure 2.57 – Contrôle de la température pendant une ébullition en film pour une débit de 0.1l.s−1 _{et une température de liquide T}

l de 25oC (évolution de la température moyenne sur la

hauteur du clinquant).