HAL Id: jpa-00245435
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00245435
Submitted on 1 Jan 1986
HAL
is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire
HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Une nouvelle technique d’identification de la diffusivité thermique pour la méthode “ flash ”
A. Degiovanni, M. Laurent
To cite this version:
A. Degiovanni, M. Laurent. Une nouvelle technique d’identification de la diffusivité thermique pour
la méthode “ flash ”. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1986, 21
(3), pp.229-237. �10.1051/rphysap:01986002103022900�. �jpa-00245435�
Une nouvelle technique d’identification de la diffusivité thermique
pour la méthode
«flash »
A.
Degiovanni
LEMTA, UA 875 CNRS, 54042 Nancy Cedex, France
et M. Laurent
Laboratoire de
Physique
Industrielle, INSA, 69000 Villeurbanne, France(Reçu
le 1 er août 1985, révisé le 14 novembre, accepté le 15 novembre 1985)Résumé. 2014 Une nouvelle identification de la diffusivité
thermique
est proposée pour la méthode « flash ». Elle est fondée surl’emploi
des momentstemporels partiels
d’ordre 0 et 2014 1. Elleprésente
à la foisl’avantage
d’êtretrès
simple
à mettre en oeuvre et deprendre
en compte toute lapartie significative
duthermogramme.
Son utili-sation pour un
dispositif expérimental particulier
montre qu’elle est bienadaptée
à l’utilisation d’un micro- ordinateur.Abstract. 2014 A new
approach
is used toidentify
the thermaldiffusivity
of solid, homogeneousisotropic
materialby computing
thepartial
time moments of order 0 and - 1. In order to test this method, weapply
it to the « flash »method for
cylindrical
samples. Previous studies shows that the evolution in time of normalized temperature(T/Tmax
versus t) depends in firstapproximation
only on two parameters : a Biot number(H)
which takes in accountthe heat
exchange
with thesurrounding ;
a characteristic time(03C40).
The aim of this study is toidentify
the two para- meters H and 03C40 with accuracy andsimplicity.
Classification Physics Abstracts
44.10 - 44.50 - 66.70 - 72.15
La méthode « flash »
proposée
par J. Parker[1]
estactuellement l’une des méthodes de détermination des
propriétés thermophysiques
des matériaux lesplus
utilisées. Sa mise en oeuvreexpérimentale
estparticulièrement simple,
et, son domained’application
est très étendu aussi bien en
température, qu’en
types de matériaux :isolants, conducteurs, solides, liquides, granulaires,
etc...Cette
méthodes
est à ranger dans la classe des méthodesimpulsionnelles,
dont leprincipe consiste,
dans unsystème thermique,
à introduire unepertur-
bationplus
ou moins localisée dans letemps
et dansl’espace
et à relever en un ouplusieurs
endroits les évolutions detempérature
en fonction dutemps (thermogrammes).
A
partir
de cesthermogrammes
on détermineraune ou
plusieurs caractéristiques
dusystème.
Dans le cas de la méthode « flash » le
système
ther-mique
est un échantilloncylindrique qui reçoit
sur saface avant un bref flux de chaleur fourni par un tube à
éclat,
un laser ou un faisceaud’électrons,
et l’évolu- tion de latempérature
est relevée sur sa facearrière ;
àpartir
de cethermogramme
on détermine la diffusivitéthermique
dumatériau ;
laprincipale
difficulté étant laprise
en compte deséchanges
avec le milieu extérieur.De nombreuses
techniques
ont étéproposées
pour déterminer la diffusivitéthermique
du matériau par identification duthermogramme expérimental
avecun
thermogramme théorique
issu d’unmodèle,
nousen citerons deux
qui
donnent des résultats satisfai- sants. Lapremière, développée
par A.Degiovanni [2-4]
très
simple
n’utilise quequelques points
du thermo-gramme ; la
seconde, proposée
par D.Balageas [5], prend
en compte toute lapartie significative
du ther-mogramme mais est en revanche
plus complexe
àmettre en oeuvre.
Nous
présentons
ici une nouvelletechnique qui
réunit les avantages des deux
précédentes
à savoirsimplicité
de mise en oeuvre et utilisation de toute lapartie significative
duthermogramme.
Elle est fondéesur l’identification des moments
temporels partiels
d’ordre 0 et - 1 issus du
thermogramme expérimental
et du modèle. Cette identification nous
permet
simul- tanément de tenircompte
deséchanges
avec le milieuArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01986002103022900
230
environnant et de déterminer la diffusivité
thermique
du matériau.
Ensuite nous montrons comment cette
technique peut
être très facilement utilisée dans undispositif expérimental géré
par un micro-ordinateur.1. Modèle
théorique.
Nous avons montré
[6, 7] précédemment
que, moyen- nant certainesprécautions
concernant les niveaux de variation destempératures,
onpouvait
utiliser unmodèle linéaire pour déterminer la diffusivité ther-
mique
dans le cas où la conductivité et la chaleurvolumique
varient en fonction de latempérature
etdans le cas
d’échanges superficiels
par rayonnementnon linéaires.
Nous utiliserons donc un modèle linéaire. Il est
important
depréserver
toute sasimplicité
à la méthode« flash »,
aussi, l’impulsion thermique
doit être suffi-samment brève pour être assimilée à un dirac de flux et uniformément
répartie
sur la face avant de l’échan-tillon,
ceci afin d’éviter de connaître et de tenircompte
d’unereprésentation spatio-temporelle
del’impulsion.
Les transferts de chaleur dans un échantillon
(Fig. 1) cylindrique
en matériauhomogène
etisotrope
sont alors décrits par le
système d’équation
suivant :Fig.
1. -Principe
de la modélisation.[Analytical
model.]où T :
température; t : temps; 03BB : conductivité;
a :
diffusivité ; hi, h2, h3 :
les coefficientsd’échanges superficiels
sur les faces de l’échantillon etQô(0) : énergie
par unité de surface del’impulsion
infinimentbrève uniformément
répartie
sur la face x = 0.La solution peut être obtenue par
séparation
desvariables
[2]
soit :avec :
où les an et yp sont solutions
respectivement
deséqua-
tions transcendantes :
Les variables réduites sont définies par :
Le
thermogramme
étant relevé en unpoint
de laface
x = e
(x*
=1)
latempérature
en cepoint apparaît
sous la forme :
Cette relation
dépend
alors decinq paramètres :
Les deux
paramètres géométriques pourraient
êtremesurés. En
pratique
s’iln’y
a pas de difficulté pour R*,
ce n’est pas le cas pour r*qui représente
laposition
du thermomètre et
qui peut
ne pas être connue avecprécision.
En
fait,
on ne peut comparer directement les thermo- grammesexpérimentaux
avec les courbesthéoriques, l’énergie
absorbée par l’échantillon n’étantgénérale-
ment pas connue ; on est donc amené à comparer des courbes normalisées calculées à
partir
du modèle03B8*/03B8*max = f*(t*) (où emax
est latempérature
réduitemaximale)
avec desthermogrammes expérimentaux
normalisés
(T - T0)/(Tmax - T0)
=f(t) (où Tmax
est la
température
maximaleatteinte).
Comme nous l’avons
déjà
montré[2],
il n’est paspossible
d’identifier lescinq paramètres
àpartir
d’unseul
thermogramme.
Aussi nous allons choisir des valeurs extrêmes pour les nombres de Biot
Hl, H2, H3
et des valeursparticu-
lières pour les
paramètres géométriques.
Nous mon-trerons ensuite
l’importance
de ces conditions sur la détermination de la diffusivité.Nous choisissons les
cinq
cas suivants :et le cas le
plus
réaliste(coefficient d’échange identique
sur toutes les
faces)
et
Dans ces cas, les
thermogrammes
normalisésf *(t *) dépendent
d’un seulparamètre :
le nombre de BiotH;
letemps t
se déduisant du temps réduit t * àpartir
d’un
temps caractéristique
ro =e2/a,
soit en fait deuxparamètres
à déterminer àpartir
duthermogramme expérimental :
H et io.On
pourrait
utiliser des méthodesgénérales
d’iden-tification
(par
minimisation d’une fonction des para- mètres àidentifier),
mais elles sont très maladaptées
à ce
type
deproblème,
les deuxparamètres agissant
defaçon
totalement différentes sur lesthermogrammes ;
l’un
(TO)
intervientuniquement
dans les constantes detemps,
l’autre(H) principalement
dans les coefficientsd’amplitudes.
2. Méthode d’identification.
Nous avons
adapté
à nosthermogrammes
la méthodedes moments
temporels
souventemployée
en identifi-cation de processus et
développée
enparticulier
par J. C.Trigeassou [8, 9].
Nous définissons les momentstemporels partiels
de lafaçon
suivante :tâ
ett*03B2
sont des temps réduitscorrespondant
respec- tivement àDe
même ta et t.
sont destemps correspondant
respec- tivement àLe processus
dépendant
de deuxparamètres,
ilnous faut au minimum deux moments pour les identi-
fier,
engardant
àl’esprit
que l’on cherche à mesurer avecprécision
io et non H. Nous avons choisi l’ordre- 1 et
0,
cequi permet
deprivilégier
lestemps
courtspour
lesquels
l’influence de la diffusivité estprépon-
dérante par rapport à celle des pertes.
Le choix des limites
d’intégrations ta et t03B2
est moinscritique néanmoins, t03B2
doit être inférieur àtmax
pour les mêmes raisons queprécédemment.
L’incertitude relative sur la diffusivité pour une erreur absolue cons- tante sur latempérature (correspondant
au bruit demesure
dépendant
des conditionsexpérimentales)
aété étudiée par D. L.
Balageas [5.].
Cette étude nous permet de
choisir ta et t.
pour minimiserl’incertitude,
la courbe(2)
en montre l’évo-lution pour le cas idéal
adiabatique
en fonction de latempérature
normaliséeO*jO:ax et
du temps réduitt * ;
elle
présente
un minimum pour t* ~0,1 (03B8*/03B8*max ~ 0,35)
et une évolution assezplate
pour03B8*/03B8*max
com-pris
entre0,1
et0,8 :
ce sont les valeurs que nous avonschoisies
respectivement
pour a etfi.
Fig. 2. - Evolution de la sensibilité de la mesure de la diffusivité pour une erreur absolue constante sur la tem-
pérature de la face arrière.
[Precision evolution of
diffusivity
measurement with cons- tant absolute error on temperature of back face.]Les moments
théoriques
réduits sont fonctionsseulement de H :
232
et pour les moments
expérimentaux
mo est fonction de H et to et m - 1 est seulement fonction de H :De
façon générale, f(t) peut
s’écrire sous la forme de série infinie :d’où
l’expression
des moments :avec t * =
t/io
et i - 1soit :
donc pour i = -
1,
m-1 =m*-1
et m- 1 n’est pas fonction de io. Parconséquent indépendant
de ladiffusivité il caractérise donc les fuites
thermiques
de l’échantillon.
Nous calculons
théoriquement mô
etm*-1
en fonc-tion de H en utilisant l’un des modèles thermociné-
tiques
définisprécédemment.
En éliminantH,
nous obtenons la fonction d’identification :A
partir
duthermogramme expérimental,
nousdéterminons
mo et
m-1(Fig. 3).
Des relations entremoments
théoriques
etexpérimentaux,
Fig.
3. - Thermogramme.[Temperature versus time curve.]
Nous obtenons :
Soit finalement la diffusivité
thermique :
Dans le cas d’échantillon
adiabatique, F(m-1) ~ 0,0855;
on retrouve une formule dutype
Parker[1] :
3. Fonction d’identification.
Dans le tableau I et sur la
figure 4,
nous avonsporté
la fonction d’identification calculée pour les
quatre premiers
cas et le cas no 5 avecR * = 1 et r * = 0,
pour des nombres de Biot inférieurs à 25.
Tableau I. -
Influence de
larépartition
deséchanges
dans le cas r* = 0 et R* = 1.
[Influence
of heat loses distribution in case of r* = 0et R* = 1.]
Il est à noter que les cas no 2 et no 3 donnent
analy- tiquement
les mêmes résultats.La
figure
4 montre quelorsque
H reste inférieur à1,
les fonctions d’identification restent très
proches
lesunes des autres. Par contre, pour H
grand,
elles dif-fèrent selon les cas
étudiés ;
il sera donc nécessaire de connaître letype
derépartition
des fuitesthermiques (par
uneanalyse
descaractéristiques
dumontage
vis-à-vis deséchanges
échantillon-milieuextérieur).
En
général
iln’y
a aucune raisonparticulière
dechoisir des coefficients
d’échange
différents surchaque
face,
on utilisera alors le cas no 5(Hl = H2 = H3
=H).
Fig.
4. - Fonction d’identification(pour
différentesrépartitions
deséchanges).
[Identification
function (influence of heat losesdistribution).]
Le tableau II et la
figure
5 montrent l’influence descaractéristiques géométriques (R*)
sur la fonctiond’identification
(R*
varie de0,1
àl’infini).
Nousconstatons aucune influence
lorsque
m - 1 estsupérieur
à
0,44 (ce qui correspond
à laplupart
des caspratiques
pour
lesquels
H est inférieur à1).
Il existe en revancheune très faible
dispersion
pour lesgrandes
valeurs ducoefficient
d’échange.
Pour des mesures à très hautetempérature
sur des isolants il sera donc nécessaire d’utiliser la fonction d’identificationcorrespondant
à la valeur R* de l’échantillon étudié.
En ce
qui
concerne les valeurs de r *(Tableau III, Fig. 6),
elles n’ont aucune influencesignificative
sur lafonction d’identification tant que r*
0,5 (ce point
Tableau II.
2013 Influence du rapport rayon sur épaisseur de l’échantillon dans le cas H1
=H2
=H3
= H et r * = 0.[Influence of radius/thickness
ratio in case ofHl
=H2
=H3
= H and r* =0.]
234
Fig. 5. - Fonction d’identification (pour différentes valeurs de R *).
[Identification
function (influence ofradius/thickness ratio).]
Fig.
6. - Fonction d’identification (pour différentes valeurs der*).
[Identification
function (influence ofr*).]
Tableau III.
- Influence
dupoint
de mesure sur lesmoments dans le cas
Hi = H2
=H3
= H et R * = 1.[Influence
of measurementplace
in caseof H1 = H2 = H3
= H and R * =1.]
est très
important
car r*peut
ne pas être connu avecprécision).
4. Sensibilité au bruit.
Nous avons vérifié la sensibilité de notre modèle au
bruitage
duthermogramme.
Les résultats sont donnéspour un bruit aléatoire
correspondant
à10 %
de03B8*max; le
calcul des moments étant effectué en utilisant 50 valeurs de la courbebruitée,
on obtient :Les écarts deviennent
négligeables
si l’on utilise 1 000 valeurs pour le calcul des moments ou si le bruit reste inférieur à 1%
de03B8*max.
5. Utilisation de cette méthode.
Nous montrons
maintenant,
comment cette méthodepeut
être utilisée pour undispositif expérimental géré
par un
micro-ordinateur;
nous ne feronsqu’une description
sommaire dudispositif (Fig. 7) qui
a étédécrit par ailleurs
[2, 3].
L’échantillon est dans une enceinte dont la tem-
pérature peut
êtrerégulée
entre - 196 OC et + 100,DC.L’impulsion thermique
est fournie par un tube àéclat.
Le
signal correspondant
estamplifié,
et son « offset »compensé.
L’acquisition
est effectuée à l’aide d’un micro- ordinateurqui pilote complètement
ledispositif
ettraite les
thermogrammes.
La cellule d’essai est constituée d’une enceinte étanche double
paroi présentant
une fenêtre dans sapartie supérieure.
Au-dessus de cette fenêtre se trouve un écran doubleparoi
amovible commandé par unvérin.
Cet écran est enlevé et
remplacé
par le tube à éclatlorsque
le « flash » est « délivré ». Dans les doublesparois
un fluiderégulé
entempérature
circule. Pour lestempératures
lesplus
basses l’enceinte estplongée
dans de l’azote
liquide.
La
température
du bloc de cuivre est mesurée avecune « résistance » de
platine.
Les variations de
température
de la face arrière de l’échantillon sont relevées à l’aide de détecteursthermoélectriques
semi-conducteurs(Bi2Te3)
à pou-voir
thermoélectrique
élevé360 pV/K
à 20 OC. Lajonction
duthermocouple
est assurée par l’échan-tillon lui-même s’il est conducteur
électrique
ou parune mince couche conductrice
déposée
s’il est isolant.L’échantillon
poussé
par les détecteurs detempé-
rature repose en trois
points
sur l’autre face. Si le matériau esttransparent
ou réflecteur la face recevant le flash est recouverte d’undépôt
absorbant(noir).
Un micro-ordinateur
pilote
l’alimentation du flashFig.
7. - Schéma deprincipe
de l’installation.[Schematic diagram of experimental
apparatus.]
236
et le vérin. Il relève la
température indiquée
par la résistance deplatine
et lethermogramme expérimental.
La force électromotrice délivrée par les détecteurs de
température correspond
à l’écart entre la facearrière de l’échantillon et les blocs en cuivre. Cet écart est la somme d’un
décalage permanent
et de la variation due àl’impulsion thermique.
Seule cettevariation sert à la détermination de la diffusivité.
La tension de
décalage
est éliminée par un asservis- sement.Avant la mesure, le
signal
issu des détecteurs thermo-électriques
estamplifié puis
convertinumériquement
et
intégré
par le microordinateur. Cette valeur est convertieanalogiquement
et soustraite ausignal partiellement amplifié
desdétecteurs,
la valeurintégrée
croît
jusqu’à l’équilibre
del’asservissement,
c’est-à-direjusqu’à
ce que la tension convertienumériquement
soit nulle. Ensuite la valeur
réinjectée
sera maintenueconstante et
égale
à la dernière valeur obtenue et ledécalage
seracompensé.
Avant la mesure,l’acquisi-
tion du
signal
est faite pour compenser,numérique-
ment, une éventuelle dérive
thermique. Ensuite,
lestubes à éclats sont mis en
place,
le flashdéclenché,
enfin l’écran remis à sa
position
initiale.L’acquisition
du
thermogramme
s’effectue avec deuxfréquences d’échantillonnage,
unegrande
pour le calcul des moments et uneplus
faible pour la recherche du maximum. Legain
del’amplificateur,
le nombre deséchantillons et leur
fréquence
sontréglables.
Lorsque l’acquisition
est terminée la valeurréinjec-
tée par l’asservissement est annulée ce
qui permet
de connaître l’écart detempérature
entre l’échantillon et les blocs de cuivre(source
froide ducouple).
Latempérature
de l’échantillonpeut
alors être calculée compte tenu de cet écart.C’est cette
température qui
sera latempérature
d’essai. Nous avons, en
effet,
montréprécédemment [6, 7]
que c’est unetempérature
voisine de latempé-
rature du maximum
qui
devait êtreprise
en cas denon-linéarités.
Les valeurs sont
compensées
de la dérive relevée avant la mesure. Latempérature
maximale(Tmax - T 0)
déterminée
après
unlissage
autour dumaximum,
lethermogramme
estapproché
par unpolynôme
du5e
degré
entre0,09 Tmax
et0,81 Ta.,
le calcul desmoments s’effectuant sur ce
polynôme.
Le calcul de la diffusivité utilise une forme
poly-
nomiale de la fonction d’identification
(forme
uti-lisable pour m-1 >
0,27)
avec
soit
Y =
0,08548 - 0,314(0,5486 - m*-1)
+Pour - m- 1 >
0,44
la fonction Ypeut
êtrereprésentée
par une droite
unique indépendante
de larépartition
des
échanges
et descaractéristiques géométriques
Des mesures ont été faites à
température
ambiantesur trois échantillons
« épais »
et isolants. Letableau IV montre la bonne concordance des résultats obtenus par deux autres méthodes
développées
par A.Degiovanni [2-4]
et D. L.Balageas [5].
Tableau IV. - Mesure de la
diffusivité
d’échantillonsde pldtre et
craie.[Thermal diffusivity
ofplaster
and chalksamples.]
* Diffusivité en m2/s
** Moyenne des trois valeurs fournies par cette méthode suivant les points de la courbe utilisés.
6. Conclusion.
L’avantage
de cette nouvelleapproche
est de conserverà la méthode
impulsionnelle
sasimplicité d’utilisation,
tout en
l’adaptant
auxtechniques
modernesd’acqui-
sition et de traitement des données sur micro- ordinateur.
L’identification nécessite seulement la mise en
mémoire de la fonction d’identification Y et de
l’épaisseur
de l’échantillon e ; la recherche de la valeur maximale duthermogramme 03B8*max
et le calculde deux
intégrales
mo et m-1.Les moments
temporels partiels
ont été utilisés ici pour identifier ladiffusivité ;
leuremploi peut,
defaçon générale,
êtreenvisagé
lors de la mise en oeuvredes
techniques impulsionnelles
pour déterminer lesparamètres
desystèmes thermiques complexes.
Nomenclature.
a diffusivité
thermique
e
épaisseur
de l’échantillonf *(t *)
courbe detempérature
calculée norma-lisée
f(t) thermogramme expérimental
normaliséy fonction d’identification
hi, h2, h3
coefficientsd’échange
H1, H2, H3
nombres de Biot associés àhi, h2, h3
mi moment d’ordre i
r variable
d’espace
radialeQô(0) énergie
par unité de surface del’impulsion
infiniment brève
r *
r/e
R rayon de l’échantillon
R *
R/e
t temps
t *
t/zo
ta temps correspondant
àocT...
ta. temps
réduitcorrespondant
à03B103B8*max
T
température
Tmax température
maximaleTo température d’équilibre
x variable
d’espace
axialex*
x/e
an solution
d’équation
transcendante yn solutiond’équation
transcendante 0*température
réduite03B8*max température
réduite maximale À conductivitéthermique
03C1c chaleur
volumique
03C40
e2/a
Jo
etJ1
fonctions de Bessel de lreespèce
d’ordre 0et 1
Bibliographie
[1] PARKER, W. J., JENKINS, R. J., BUTLER, C. P. and
ABBOTT, G. L. Flash method of
determining
ther-mal
diffusivity,
heatcapacity
and thermal conduc-tivity.
J.Appl. Phys.
32 n° 9(1961)
1679-1684.[2]
DEGIOVANNI, A., Contribution à l’étude de ladiffusivité thermique.
Thèse de Doctorat d’Etat n° 75-19.Lyon, juin
1975.[3]
DEGIOVANNI, A., Diffusivité et méthode flash. Revue Gén. Therm. 185(1977)
417-442.[4]
DEGIOVANNI, A., LAURENT, M. et PROST, R., Mesureautomatique
de la diffusivitéthermique.
RevuePhys. Appl.14 (1979)
927-932.[5]
BALAGEAS, D. L., Nouvelle méthoded’interprétation
desthermogrammes
pour la détermination de la diffu- sivité par la méthodeimpulsionnelle.
RevuePhys.
Appl. 17 (1982)
227-237.[6]
DEGIOVANNI, A., SOIHILI, Z. Critères de non-linéarité pour la mesure de la diffusivitéthermique
par méthodeimpulsionnelle.
Revue Gén. Therm. 272- 273(1984) 489-493.
[7]
DEGIOVANNI, A., SINICKI, G., LAURENT, M., Heatpulse
thermal
diffusivity
measurements. Thermal proper- ties temperaturedependence
andnon-uniformity.
Eighteen
International ThermalConductivity
Con-ference
Rapid City.
South Dakota, 3-5 Oct. 1983.[8]
TRIGEASSOU, J. C.,Identification
et commande des pro-cessus mono-entrée mono-sortie par la méthode des moments. Thèse de 3e
Cycle
ENSM Nantes 1980.[9]
TRIGEASSOU, J. C.,Identification
de processus par la méthode des momentstemporels.
A.M.S.E. Nice1983.