1 soutenance de thèse – vendredi, 10 septembre 2010 développement d'un dispositif de...
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1Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Développement d'un dispositif de calorimétrie
par rayonnement thermique: application à la mesure des pertes dans les
composants électriques
Présentée par E. OBAMECo-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée
2Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
• Contraintes thermiques / composants électriques
– Origines• Milieu environnant• Pertes de puissance
– Conséquences• Vieillissement et durée de vie• Rendement
– Comportement thermique• Estimer les pertes (ex. modélisation numérique)• Mesurer les pertes (ex. approches calorimétriques et
électriques)
Contexte
• T=-55 à +150°C• U= jusqu’au kV• f= jusqu’au MHz • 5 W>Pertes>
5mW
1cm1cm1 cm 5 cm
3Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
• Méthodes de mesure– Méthodes électriques (méthodes indirectes)
• Avantages: facilité d’utilisation; reproductibilité des mesures; précises à basse fréquence et en continu
• Limites: gamme de fréquence; déphasage i/v proche de /2; signaux riches en contenu harmonique
– Méthodes calorimétriques (méthodes directes)• Avantages: précisions; signaux d’alimentation
quelconques• Limite: durée des mesures (de l’ordre de 1h)
Méthodes calorimétriques
Méthodes électriques
Contexte
t
u(t) u(t)
û
f
Les méthodes calorimétriques semblent mieux adaptées
4Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Contexte
–Dispositifs calorimétriques antérieurs
Calorimètres
Mode d’échange
Gamme de température
Gamme de puissances
Précision
Géométrie composant
Adiabatique [Ritchie2004]
convection / eau
ambiante à 80°C
1 à 50 W ±10 mW (< 10W) à 30°C
quelconque
Isopéribolique [Buttay2004]
convection / huile
ambiante 3 à 130 W ±5 % quelconque
flux de chaleur [Chen2002]
conduction ambiante < 50 W > ±180 mW
1 face plane
Isotherme [Seguin1997]
conduction -45 à +85 °C
30 mW à 700 mW
1,5 % cylindrique
Isotherme[Objectif]
rayonnement
-50 à +150°C
5mW à 5W
±1mW quelconque
5Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Sommaire
• Principe général de la mesure• Architecture du calorimètre
– Constitution– Modèle analytique– Capteurs et éléments chauffants
• Comportement thermique de la cellule de mesure– Gradients thermiques– Réponse thermique
• Caractéristiques du calorimètre– Étendue de mesure– Précision de mesure
• Conclusions et perspectives
6Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Support
Principe général de la mesure
RégulationP0 P1
Système isotherme
Phase 1: composant inactifPhase 2: composant actif
T0 T0
Pertes=P0-P1Pertes
Régulation
Puits de chaleur(Thermostat)
Fuites
Perturbations
Isolation
Amenéesde courant
Fonctions à réaliser-Isolation-Puits de chaleur-Système isotherme-Vecteur de chaleur
7Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Support de la cellule
Constitution du calorimètre
Réservoir LN2
Puits de chaleur
Plaque de Styrodur®enceinte à vide etécran radiatif E
Isolation
Ecran H
Vecteur de chaleur
Cellule de mesure (système isotherme)
et le composant
Collaboration SERAS-Philippe Jeantet-Emmanuel Roy-Patrick Trévisson-Gilles Pont-Grégor Kapoujyan -Pierre Hostachy-Gilles Perroux
1100 mm
Thermalisation300 mm
8Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Thermalisation des amenées de courant
–Thermalisation sur la cellule de mesure
Retour
Soudure à l’étain
Plaque de thermal Clad®Plaque de cuivre
Pièce en cuivre Demi-sphère fixe(Cellule de mesure)
Amenée de courant
9Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Modèle analytique-faisabilité-choix des matériaux-sensibilité théorique
Constitution du calorimètre
10Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Modélisation analytique du calorimètre
Retour
(S0, T0, 0)
(SES, TES, ES(TES))
(SVS, TVS, VS(TVS))
(SEI, TEI, EI(TEI))
(SVI, TVI, VI(TVI))
(S3, T3, 3(T3))(S2, T2, 2)
(S1, T1, 1)
(SC, TC, C(TC))
(S , TP, P(TP))
(SS, TS, S(TS))
(SI, TI, I(TI))
RTH23
RTH1
RTH1S
E
H
RTH4RTH5
RTH6
RTHVSI
RTHSVS
RTH3H
RTH3
RTH0H
RTH0C
RTH0
(SH, TH, H)
RTHVV
RTHEE
(S)
(I)
RTHVEI
RTHVES
h
RTHPV(Sa, a,Ta)
(SP
(S0, T0, 0)
(SES, TES, ES(TES))
(SVS, TVS, VS(TVS))
(SEI, TEI, EI(TEI))
(SVI, TVI, VI(TVI))
(S3, T3, 3(T3))(S2, T2, 2)
(S1, T1, 1)
(SC, TC, C(TC))
(S , TP, P(TP))
(SS, TS, S(TS))
(SI, TI, I(TI))
RTH23
RTH1
RTH1S
E
H
RTH4RTH5
RTH6
RTHVSI
RTHSVS
RTH3H
RTH3
RTH0H
RTH0C
RTH0
(SH, TH, H)
RTHVV
RTHEE
(S)
(I)
RTHVEI
RTHVES
h
RTHPV(Sa, a,Ta)
(SP
RTH1S
T1 T2
RTH1
1/12
Q1
T3
RTH23
TH
TEI
Q3
TEs
T0
rH
r0
rCrEs TCEsC
0,C
H,CH,Ei
H,0
1/EV21/EV1 RTHEV1RTHE,V2
Ta
1/hCSC
3,EI
3,H
H,EI
RTH3,H
RTH3
RTHH,0
RTéf
RTH0,C
RTH0,C
1/B,a
TSi
TSs
1/hSsSSs
1/hSiSSi
1/Ss,a
1/Si,a
RE,E
RV,V
TVi TVs
RVs,Es
RVi,EiRTH4RTH5RTH6
RTHSVs
TP
1/hPSP
1/P,a
Résistance thermique de conduction notée RTHi,j =Li,j/(k.S) [K W-1]
Résistances au rayonnement notées i,j= 1/SiFi,j et
1/i,j= (1-i)/Sii+i,j+(1-j)/Sjj [m-2]
Résistance thermique à la convection noté 1/hiSi [K W-1]
Résistance surfacique au rayonnement notée ri= (1-i)/Sii [m-2]
r3 rH
rEI
RTH1S
T1 T2
RTH1
1/12
Q1
T3
RTH23
TH
TEI
Q3
TEs
T0
rH
r0
rCrEs TCEsC
0,C
H,CH,Ei
H,0
1/EV21/EV1 RTHEV1RTHE,V2
Ta
1/hCSC
3,EI
3,H
H,EI
RTH3,H
RTH3
RTHH,0
RTéf
RTH0,C
RTH0,C
1/B,a
TSi
TSs
1/hSsSSs
1/hSiSSi
1/Ss,a
1/Si,a
RE,E
RV,V
TVi TVs
RVs,Es
RVi,EiRTH4RTH5RTH6
RTHSVs
TP
1/hPSP
1/P,a
Résistance thermique de conduction notée RTHi,j =Li,j/(k.S) [K W-1]
Résistances au rayonnement notées i,j= 1/SiFi,j et
1/i,j= (1-i)/Sii+i,j+(1-j)/Sjj [m-2]
Résistance thermique à la convection noté 1/hiSi [K W-1]
Résistance surfacique au rayonnement notée ri= (1-i)/Sii [m-2]
r3 rH
rEI
Hypothèses du modèle-le calorimètre de géométrie cylindrique-surfaces isothermes grises et parfaitementdiffusantes -supports et amenées de courant constituent des résistances thermiquesde conduction-composant à tester est de géométrie sphérique-propriétés thermiques = f(température)
Système: 12 équations non linéaires:résolution numérique
Régime stationnaire
11Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Constitution du calorimètre
Ratio théorique
12Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Ratio r / t émis par le composant (théorie)
Retour
tr
Tfuites
220 260 300 340 380 420 46097.5
98
98.5
99
99.5
100
Temperature de la cellule [K]
r/
t [%
]
ConstantanCuivre
Ratio en fonction de la température de la cellule pour différentenature de l’amenée de courant en cuivre ou en constantan
t=100 mW
Support cellule enépoxy fibre de verre
Emissivité ducomposant = 1
r/ t>99,8 %
r/ t>97,6 %
Le rayonnement est prépondérant devant les fuitesthermiques par conduction dans la cellule de mesure
13Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Constitution du calorimètre
Support de la cellule
14Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
0 10 20 30 40 50
-60
-40
-20
0
20
Temps [Heure]
Tem
péra
ture
de
la c
ellu
le [°
C]
Acier 304LEpoxy fibre de verreAluminium 6060Cuivre Cu-b1
10 20 30 40 50
-20
-10
0
10
20
Temps [Heure]
Tem
péra
ture
de
la c
ellu
le [°
C]
ExpérienceThéorie
Influence du support sur la dynamique de la cellule
Dynamique lente (-20 °C/ 52 heures)
Dynamique de la cellule de mesureet comparaison avec la théorie
Amélioration de la dynamiqueavec support est bon conducteur
Dynamique pour différents matériaux constituant le support de la cellule
Support en époxyfibre de verre
Retour
15Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Constitution du calorimètre
16Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Mesure des pertes
ConsigneT0
T0
P0 P1
Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P
T0
Régul
Elémentschauffant
17Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Régulateur de température
Régulateur PID: PTC10-plage de température: -200 °C à +550 °C-résolution: 10-3 °C, précision ±3.10-2 °C-sortie 4 Pt en connexion 4fils-puissance maximale en sortie: 50 W
P
D
I HT sortie
CapteurPt100
MesureT
ConsigneTref
Erreur(t) Commande
u
Fonction de transfert du procédé
Schéma de régulation
Retour
18Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Mesure des pertes
ConsigneT0
T0
P0 P1
Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P
T0
Régul
Amenée de courant (théorique)
Elémentschauffant
19Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
0 0.2 0.4 0.6 0.8 110
-2
10-1
100
x / L
Flu
x pa
r co
nduc
tion
[mW
]
Cuivre D=0.5 mmCuivre S =1 mm2Constantan
0 0.2 0.4 0.6 0.8 110
-2
10-1
100
x / L
Flu
x pa
r co
nduc
tion
[mW
]
ConstantanCuivre
Amenées de courant (section du fil = 1 mm2, L = 11 cm)
Profil de température dans l’amenée dede courant ( = 0,97, Tcomp-Tcell = 2 K )
Retour
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1300
300.5
301
301.5
302
x / L
Tem
péra
ture
[K]
ConstantanCuivre
Profil du flux par conductiondans l’amenée de courant
Le constantan limite les fuites par conduction et favorisedonc l’homogénéisation thermique de la cellule
I=100 mA
T cellule
T composant
RI2=0,55 mW
RI2=0,02 mW
RI2=0,1 mW
20Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Mesure des pertes
ConsigneT0
T0
P0 P1
Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P
T0
RégulSensibilité théorique
Elémentschauffant
21Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
200 250 300 350 400 450 50010
-3
10-2
10-1
100
101
Température cellule [K]
T (
cellu
le)
[K]
Q1 = 0.1 mWQ1 = 1 mWQ1 = 10 mW
Sensibilité théorique du calorimètre
Retour
Q1
Températurede consigne
+T
la variation T de la température de la cellule pour différents flux Q1 émis par un composant en fonction de la température de la cellule
Diminution de T avec T cellule,
T = 1,3.10-3 K pour Q1=0,1 mW à 500 K
-Support celluleen époxy fibre
de verre
-Emissivité ducomposant = 1
Mesurer des faibles pertes de puissancenécessite de détecter une variation T< 10-3 K
22Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Mesure des pertes
ConsigneT0
T0
P0 P1
Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P
T0
Régul
Elémentschauffant
23Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Instrumentations
M1
M2
M3
F1F2
F3
–Dispositifs de mesure de températureCapteurs Pt100 (=2 mm, L=6 mm)Tolérance 1/3 DIN B (-70 à +250 °C)-200 °C à +800 °C
Surfaces quasi-isothermes
5mm
AA
M2
Cellule
2,1mm
A
A
Thermocouples de type KTempérature < +250 °C
Ecran E
TV1
TV2 TH TE2
TE1
Enceinteà vide
Ecran HT = 1 °CT= 2 °C
T<
0.1
5 °
C
24Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Instrumentations
–Dispositif de chauffage de la cellule
Fil chauffant (=1 mm)
-résistance électrique du fil = 75 -puissance linéique maximale = 100 W/m-température maximale = 600 °C
Partie froide(0,1 m de long
en Cu)
Collage avec Stycast black® et laque d’argent
Mise en œuvre du fil chauffantdans la cellule de mesure
Partie chaude(1,1 m de long
en Nc)
25Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Cellule
Fil chauffant f3
Rainure
A
B
CF3
Coupe localisée sur le fil chauffant
Gradients thermique sur la cellule: fil chauffant
vide
Frontière du milieuambiant avec T imposée
Surface interne
Surface externe
f1f2
f3
Cellule
–Simulation par éléments finis sur flux2D
0 2 4 6 8 1060.4
60.42
60.44
60.46
60.48
60.5
60.52
r [mm]
Tem
péra
ture
[°C
]
Température le long du chemin AC en fonctionde l’abscisse r parcourant AC de A vers C
A B C
T=T(C)-T(A) = 0,037 °CPosition du fil chauffant
Profondeurdes sondes
Image caméra IR
Observation expérimentaledes gradients thermiques
26Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Réponse thermique de la cellule (composant actif)
– Evolutions de la puissance et de la température
Temps de stabilisation -puissance = 1 h-température = 2 h
Support de la celluleest en acier inoxydablePinj = 103,3 mW
Fluctuations: -puissance = ±10 mW-température = ±0,2 mK
Fluctuations réduites à 1 mW avec la puissance moyenne
0 5 10 15 20-30.002
-30
-29.998
-29.996
Temps [heure]
0.2
0.25
0.3
Puissance régulation [W]
Température cellule [°C]
P0
P1
activation du composant
t=2 h
Pertes=P0-P1+P
Inactif
actif
27Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques du dispositif
–Etendue de la puissance mesurable et plage de température
Puissance derégulation
Température de consigne
Pertes
Mesure possible si puissance de régulation Pertes-50 0 50 1000
2
4
6
8
Température de la cellule [°C]
Pui
ssan
ce d
e ré
gula
tion
[W]
Théorie (RTC = 0)Expérience
-50 0 50 1000
5
10
15
Température de la cellule [°C]
Pui
ssan
ce d
e ré
gula
tion
[W]
Théorie (Cu. Rth contact = 80 °C /W]Théorie (époxy fibre de verre)Epoxy fibre de verreacier inoxydable 304LAluminium 6060Cuivre Cu-b1
Evolution de la puissance de régulation en fonction de la température de la cellule
Evolution de la puissance de régulation pourdifférents matériaux du support de la cellule
Support en époxyfibre de verre
-50 0 50 100 1500
2
4
6
8
10
12
Température de la cellule [°C]
Pui
ssan
ce d
e ré
gula
tion
[W]
Théorie (+ fils chauffants et + radiation du support)Théorie (RTC=0)Expérience
Elargissement de la gamme avec la conduction du support
SupportCellule
28Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques du dispositif
–Composant test (purement résistif)
Résistance = 1047,2 -indépendante dela température
Emissivité variable:-peinture noire (0,97)-scotch kapton (0,78)-scotch cuivre (< 0,1)
Tube en cuivreFil de constantan
(=0,1 mm)
30 mm
20 mm
1 mm
29Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques du dispositif
–Mesure de la puissance dissipée en fonction de la températurede la cellule
Support celluleen époxy fibrede verre
Surface peinteen noire
Puissance mesuréeindépendante de latempérature de lacellule de mesure
-25 0 25 50 75 100 125 15010
1
102
103
Température de la cellule [°C]
Pui
ssan
ce m
esur
ée [m
W]
Puissance injectée = 1000 mW
Puissance injectée = 500 mW
Puissance injectée = 100 mW
Puissance injectée = 13,7 mW
Bonne stabilité en température
30Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques du dispositif
–Précision de mesureLe support de la cellule est en époxy fibre de verre
Puissance injectée [mW]
Précision [%]
-20 °C à +70 °C
+80 °C à +150 °C
13,7 5 11,5
100 2,1 2,1
500 0,9 1,3
1000 1,3 2
Bonne précision de mesure
31Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques du dispositif
–Précision: Influence de la nature du support de la cellule
Puissance injectée [mW]
Epoxy fibre de verre
Acier inoxydable 304 L
Cuivre Cu-b1
13,7 11,5 % 19,7 % xxx
100 2,1 % 11,7 % 24 %
500 1,3 % 4,7 % 4,5 %
1000 2 % 3 % 4,3%
Précisions entre -30 °C et +100 °C
Meilleure précision de mesure avec l’époxy fibre de verre
32Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Déclaration d’invention brevet [FR N°1055474 2010-07-13]
Conclusions et perspectives
• Conclusions– Précision = 5 % (±0,7 mW) pour 13,7 mW dissipée (-20 °C
à +70 °C)(équivalent à Tan δ=10-3 @ f=1 kHz, C=0,3 µF, U=85 V )
• Dynamique thermique de la cellule est lente et peut être améliorée avec la conductivité de son support d’accrochage au réservoir
• Etendue de mesure (température): -50 à +150 °C• La précision est améliorée avec la puissance mesurée et selon que
le support de la cellule est « mauvais » conducteur thermique
– Tension appliquée au composant: 3 kV RMS (forme quelconque)
– Géométrie des composants est quelconque ( jusqu’à 1 kg)
33Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Conclusions et perspectives
• Perspectives– Eliminer une partie du bruit et les fluctuations de la régulation par
un traitement de signal approprié (prévoir un filtrage pour gagner en précision)
– Mesurer l’émissivité du composant testé (mesures sans contact avec des fibres optiques) afin de remonter à sa température
– Définir l’étendue de mesure en fréquence du calorimètre– Prendre en compte les problèmes de compatibilité
électromagnétique du système– Améliorer la réponse thermique de la cellule (diminution de la
masse)– Placer le dispositif calorimétrique dans une ambiance contrôlée (en
théorie une variation de 1 °C de la température ambiante conduit à un P=2 mW sur la cellule)
– Réaliser des adaptateurs pour des connexions multi-phasées
34Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Remerciements-Pôle technique MDE G2elab-SERAS-Pôle Capteurs thermométriques et calorimétrie-Pôle Optique
35Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Merci pour votre attention !
Conclusions et perspectives
36Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Stabilité de la puissance de régulation dans le temps
Puissance moyenne fournie par la régulation en fonction du temps
La puissance moyenne décroit dans le temps.Comment rendre la régulation plus performante?
Retour
0 2 4 6 8 10 122.73
2.74
2.75
2.76
0 2 4 6 8 10 121.57
1.575
1.58
1.585
Temps [Heure]
Pui
ssan
ce d
e ré
gula
tion
[W]
Régulation à 0 °C avec supportd'accrochage de la cellule en cuivre
a)
b) Régulation à 0 °C avec supportd'accrochage de la cellule inox
37Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Résultats
–Influence du support d’accrochage de la cellule
-50 0 50 100 150-20
-10
0
10
20
30
Température de la cellule [°C]
P /
P [%
]
Acier inaxydable 304LCuivre Cu-b1
-50 0 50 100 150-10
-5
0
5
10
15
20
Température de la cellule [°C]
P /
P [%
]
Puissance injectée = 500 mWPuissance injectée = 1000 mW
Les variation de P/P sont plus importantesavec un support d’accrochage en cuivre
Puissance injectée = 103,3 mWPuissances injectées = 500 et 1000 mW
Variation satisfaisante pour T 75 °C (5 %)avec un support d’accrochage en cuivre
38Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques de mesure du dispositif
–Précision des mesuresLe support de la cellule est en acier inoxydable 304 L
Puissance injectée [mW]
Précision (T: température de la cellule de mesure)
13,7 13 % pour -30 °C T < 80 °C et 19,7 % pour T 80 °C
103,3 5% pour -30 °C T < 70 °C et 11,7 % pour T > 80 °C
503,4 2% pour -30 °C T < 70 °C et 4,7 % pour T 80 °C
1005,5 2,5% pour -30 °C T < 100 °C et 3 % pour T = 100 °C
39Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Sondes(Pt100)
Temp. LN2(-196 °C)
Temp. amb(17,9 °C)
1 (M1) -195,900 17,938
2 (M2) -195,892 17,89
3 (M3) -195,850 17,91
4 (F1) -195,853 17,983
5 (F2) -195,880 17,910
6 (F3) -195,890 17.92Ecarts : 0,1 °C
Essais en statique
Retour
–Dispositifs de mesure de température
Instrumentations
Essais en dynamique
Ecarts de températureentreles sondes < 0,1 °C
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.417
17.2
17.4
17.6
17.8
18
Temps [heures]
Tem
péra
ture
[°C
]
Sonde F1Sonde F2Sonde M1Sonde M2
40Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Gradients thermiques sur la cellule: support
–Influence du support de la cellule
-80 -60 -40 -20 0 20 40-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Température cellule mesurée par F1 [°C]
T
=T
(M1)
-T(M
3) [°
C]
Cuivre Cu-b1Aluminium 6060Acier inox 304LEpoxy fibre de verre
Demi-sphère mobile
t=0
t
-80 -60 -40 -20 0 20 40-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Température de la cellule mesurée par F1 [°C]
T
=T
(F1)
-T(F
3) [°
C]
Cuivre Cu-b1Acier inox 304LEpoxy fibre de verreAluminium 6060
Demi-sphère fixe
t=0
t
Ecart de température T = T(F1)-T(F3)en fonction de la température de la cellule
Ecart de température T = T(M1)-T(M3)en fonction de la température de la cellule
Les écarts sont compris à l’intérieur de 0,2 °CLes gradients restent donc faibles dans tous les cas
SupportCellule
41Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
10-2
10-1
100
101
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Temps [Heures]
Tem
péra
ture
[°C
]
Consigne =-30°CConsigne =0°CConsigne =30°C
Régime transitoire
Régime permanent
Réponse de la cellule
Evolution de la température de régulationEvolution de la puissance de régulation
T init T fin
–Régulation active (support inox 304 L)
10-2
10-1
100
101
100
101
Temps [Heures]
Pui
ssan
ce d
e ré
gula
tion
[W]
Consigne = 30 °C
Consigne = 0 °C
Consigne = 90 °C
Consigne = -30°C
3
La température est stabilisée aubout de 3 heures de régulation
Variations de la puissance de régulationfaibles au bout de 3 heures
42Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques de mesure du dispositif
–Précision des mesuresLe support de la cellule est en acier inoxydable 304 L
Puissance injectée [mW]
Précision [%]
-30 °C à 70 °C
80 °C à 100 °C
13,7 13 % 19,7 %
103,3 5 % 11,7 %
503,4 2 % 4,7 %
1005,5 2 % 3 %La précision augmente avec la puissance injectée
43Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Caractéristiques du dispositif
–Influence de la température de la cellule sur: P/P(support en acier inoxydable)
-50 0 50 100-20
-10
0
10
20
30
Température de la cellule [°C]
P /
P [%
]
Puissance injectée = 13,7 mWPuissance injectée = 103,3 mW
-50 0 50 100-20
-10
0
10
20
30
Température de la cellule [°C]
P /
P [%
]
Puissance injectée = 503,4 mWPuissance injectée = 1005,5 mW
« Faibles » puissances « Fortes » puissances
Les variations de P/P diminuent avec la puissances injectéeP/P augmente au dessus de 70 °C (fluctuation de la régulation)
44Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Contexte
• Principe de la calorimétrie
Thermostat Th
Système isolé S
A BQ
Thermostat Th
Système isolé S
A BQ
1. Principe de l’égalité des échanges de chaleursQA+QB = 0
2. Réversibilité des transformations
A BQ
Système isoléThermostat
-Adiabatique-Quasi adiabatique-A flux de chaleur-Isotherme
45Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Comparaison des mesures entre le calorimètre et un analyseur d’impédance
–Spectre de la résistance parallèle d’un condensateur
Analyseur d’impédanceProgramma IDA 200 ®
Rp
Cp
Condensateur Modèle //
1 2 3 4 50
50
100
150
Fréquence [kHz]
Rp
[k
]
Analyseur d'impédance
Spectres en fréquence de Rp
Interprétation…
46Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Support de la cellule
Ratio théorique
Modèle analytique
Thermalisation
Constitution du calorimètre
Réservoir LN2
Puits de chaleur
Plaque de Styrodur®enceinte à vide etécran radiatif E
Isolation
Ecran H
Vecteur de chaleur
Cellule de mesure (système isotherme)
et le composant
47Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Calorimètre de Ewen Ritchie
Echangeur thermique
Dispositifsoustest
Résistance chauffante
Résistancechauffante
Tad Tref
Système de réfrigération
Débit mètre
Pompe
Valve de sécurité Réservoir d’eau
Tamis
B
A
S
R
Thermostat
TS TTh
Pertes = DMcpT+kA TF
48Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Calorimètre de Cyril Buttay
Mesure de température TB Alimentation et commandedu dispositif sous test
Enceinte quasi adiabatique
dispositif soustest
Flux thermique
Bain d’eau à température Te constante
Bain d’huile
A
B
Pertes = CTHT/t
49Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Calorimètre de Gang Chen
A
Alimentation
Alimentation
Régulateurde
température
Résistance chauffantes
Composant à tester
Plaque I B
Plaque II
Modulethermoélectrique
Thermopile
Echangeurde chaleur
Ecrans radiatifs
Fibre de verre
Blo
c ca
lorim
étr
iqu
e
Pertes = KE
50Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Calorimètre de Bruno Seguin
N2
T0=-196°C
RTH1
RTH2
T1
TB
Reg1
Reg2
Consigne T1
Consigne T2-T1
T2
T1
A0
A1
A2
C1
C0
P0
P1
T1
P0
P1
Ecrans thermiques
Enceinte à vide
Condensateur de puissance A
Réchauffeurs
Réservoir d’azoteliquide
Cellule de mesure B
Pertes = P0-P1