FR2588962A1 - Capteur de mesure de la conductivite thermique de materiaux - Google Patents

Abstract

MESURE DE CONDUCTIVITE THERMIQUE. LE CAPTEUR DE MESURE EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND: -UNE PLATINE 2 DELIMITANT, SUR SA FACE D'APPLICATION, DES PLAGES 3, 4 PLACEES SUR UN MEME PLAN, OCCUPEES PAR LES ZONES DE MESURE Z, Z QUI SONT CONSTITUEES PAR DES SEGMENTS 5, 8 CONDUCTEURS RELIES EN SERIE D'UNE ZONE A L'AUTRE PAR DES THERMOCOUPLES; -UN ELEMENT CHAUFFANT PLAN 7 PLACE, EXTERIEUREMENT A LA FACE D'APPLICATION, EN RELATION AVEC LA ZONE MEDIANE Z; -UN REVETEMENT 6 EN MATIERE ISOLANTE ELECTRIQUEMENT RECOUVRANT LES ZONES DE MESURE Z, Z; -UN CAPOT 32 EN MATIERE ISOLANTE RECOUVRANT LA PLATINE; ET -UNE MASSE M DE MATIERE ISOLANTE THERMIQUEMENT OCCUPANT LE VOLUME DELIMITE PAR LA PLATINE ET LE CAPOT. APPLICATION A L'ETUDE DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DE TISSUS BIOLOGIQUES.

Description

La présente invention concerne la mesure de la conduc-

tivité thermique de matériaux en vue de les caractériser.

La mesure de la conductivité thermique est mise en oeuvre dans de nombreuses applications parmi lesquelles il convient de citer - l'étude de la thermorégulation des tissus vivants en application médicale - l'étude de la nature de tissus biologiques et notamment la teneur en lipides, protéines ou l'appréciation de degrés de brûlure ou de nécrose - l'étude de la teneur en eau - l'étude de l'irrigation sanguine tissulaire

- l'étude et la caractérisation de matériaux non -

biologiques à partir de leur conductivité ther-

mique.

La technique habituelle de mesure de conductivité ther-

mique pose des problèmes car il faut disposer d'un échantillon de forme géométrique imposée d'un matériau à analyser. Cet échantillon

est placé dans une enceinte entre deux plaques portées à des tempé-

ratures différentes et qui le serrent à la manière d'une presse. La mesure de conductivité est effectuée à partir de la différence de température des plaques et du flux thermique traversant l'échantillon

entre les plaques.

On conçoit que cette façon de procéder est contraignante

et lente et qu'elle est en outre inapplicable in situ et in vivo.

En vue de réduire ces contraintes, la technique anté-

rieure a aussi proposé de mettre en oeuvre un appareil comprenant

une zone de mesure de référence, appréciant la température de sur-

face du matérieu et une zone de mesure associée à un élément chauffant.

Le principe consiste à apporter de l'énergie par l'élément chauffant,

de manière à établir une différence constante déterminée de tempé-

rature entre les deux zones. La prise en compte de l'énergie dépensée pour maintenir cet écart déterminé de température permet d'apprécier

la conductivité thermique.

Parmi les publications visant une telle technique, il convient de citer la revue MEDICAL AND BIOLOGICAL ENGENEERING, mars 1975, page 196. Selon cette publication, un appareil de mesure de la conductivité thermique fait intervenir, sur une face plane d'une

masse de matière plastique, un anneau en cuivre disposé concentrique-

ment à une pastille centrale également en cuivre. Ces deux éléments

métalliques conducteurs constituent,respectivement, la zone de me-

sure extérieure de référence et la zone de mesure de la surface

chauffée. A cet effet, la pastille centrale est associée, à l'inté-

rieur de l'enrobage en matière plastique, à une résistance chauffante,

Les conducteurs, reliés aux éléments en cuivre et à l'élément chauf-

fant, sont noyés dans la masse de matière plastique et connectés à un

cordon d'alimentation. La liaison entre l'anneau extérieur et la pas-

tille en cuivre est assurée par une succession de jonctions en série

permettant de mesurer la différence entre la somme des forces électro-

motrices des jonctions périphériques et la somme des forces électro-

motrices des jonctions centrales.

Un tel appareil ne donne pas-satisfaction, car il ne prend pas en compte les éléments essentiels auxquels il convient de prêter

attention dans un tel domaine d'application.

En effet, la mesure de la conductivité thermique de maté-

riaux ou tissus biologiques demande d'apprécier de très faibles va-

riations thermiques, de l'ordre de 1 %. Il importe donc de pouvoir: limiter l'inertie de l'appareil de mesure pour obtenir une bonne rapidité et une bonne précision, - limiter la conductivité entre la zone d'apport de chaleur et la zone de mesure de référence, afin d'éviter d'influencer cette dernière par le transfert de calories au sein de l'appareil de mesure,

- limiter la résistance thermique entre le point de me-

sure et la surface de contact du milieu à caractériser afin d'assurer

un transfert thermique rapide entre milieu de mesure, élément chauf-

fant et élément de mesure de température, - limiter l'inertie thermique du moyen de chauffage, de manière à obtenir une libération rapide de l'apport d'énergie, - disposer de la plus petite résistance thermique axiale du moyen de chauffage mais, par contre, de la plus grande résistance perpendiculairement à cet axe, - apprécier précisément toute mesure de température,

afin de disposer d'une grande sensibilité.

L'appareil, tel que proposé dans la publication précé-

dente, ne répond pas aux objectifs ci-dessus en raison de la cons-

truction préconisée.

Tout d'abord, l'élément chauffant est constitué par une bobine qui possède une grande inertie. En plus de son encombrement, cette bobine est disposée en relation avec la face arrière de la pastille conductrice centrale et, par conséquent, la résistance de

cette dernière vient perturber la transmission de l'apport d'énergie.

La pastille centrale et l'anneau sont disposés en rela-

tion de proximité dans le même plan, au sein de la même matière, de sorte qu'un transfert interne de calories vient influencer la mesure

de la zone périphérique.

L'ensemble des moyens de transfert thermique et de mesure est inclus à une masse de même matière qui subit un échauffement transmis aux différents autres éléments constitutifs et venant, de la sorte, perturber la mesure différentielle entre la zone chauffée et

la zone de référence non chauffée.

L'objet de l'invention est de remédier aux inconvénients

attachés à une telle solution, en proposant un nouveau capteur de me-

sure de la conductivité thermique de conception simple, robuste et de faible encombrement et présentant des caractéristiques de mesure

précises, sensibles, stables, rapides et reproductibles.

Pour atteindre les buts ci-dessus, l'objet de l'inven-

tion est caractérisé en ce qu'il comprend: - une platine en matière isolante électriquement et thermiquement conformée pour délimiter, sur sa face d'application, des plages placées sur un même plan, séparées par des dépressions et occupées par les zones de mesure (Z1, Z2) qui sont constituées par des segments thermiquement conducteurs séparés

les uns des autres mais reliés en série successive-

ment d'une zone à l'autre par des thermocouples dont les jonctions chaudes sont portées par les secteurs de la zone médiane Z1 et dont les jonctions froides sontvportées-par les secteurs de la zone Z2, - un élément chauffant plan placé, extérieurement à la face d'application, en relation avec la zone médiane

Z1,

- un revêtement en matière isolante électriquement char-

gée de particules conductrices thermiquement, recou-

vrant les zones de mesure Z1, Z2,

- un capot en matière isolante électriquement et thermi-

quement recouvrant la face de la platine occupée par les conducteurs, - et une masse (M) de matière isolante thermiquement

occupant le volume délimité par la platine et le capot.

Diverses autres caractéristiques ressortent de la des-

cription faite ci-dessous en référence aux dessins annexes qui montrent,

à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'ob-

jet de l'invention.

La fig. I est une vue en plan d'une forme de réalisation

du capteur selon l'invention.

La fig. 2 est une coupe-élévation prise sensiblement

selon la ligne II-II de la fig. 1.

- Lafig.3 est une perspective éclatée mettant plus en

évidence une caractéristique constructive de l'objet de l'invention.

La fig. 4 est une vue en plan d'une seconde forme de

réalisation de l'objet de l'invention.

La fig. 5 est une coupe transversale prise selon la

ligne V-V de la fig. 4.

La fig. 6 est une coupe transversale partielle prise,

à plus grande échelle, selon la ligne VI-VI de la fig. 4.

__ __35 Selon la première forme de réalisation illustrée par les

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fig. I à 3, le capteur de mesure de la conductivité thermique de matériaux comprend une platine I réalisée en une matière plastique résistante, pouvant être moulée ou usinée. A titre d'exemple, la platine I peut être réalisée en une résine époxy incluant une charge de fibres de verre. Dans l'exemple illustré, le capteur est de forme

générale cylindrique et comporte une platine 1 circulaire.

La platine 1 comporte, sur sa face 2 dite d'application, deux plages planes 3 et 4 disposées dans un plan commun. La plage 3 est de forme circulaire et occupe le centre de la platine 1, alors que la plage 4 est de forme annulaire en étant concentrique à la plage

3 et en occupant la partie proche du bord périphérique de la platine 1.

La plage 3 possède en surface n segments 5 conducteurs thermiquement qui sont, par exemple, constitués par des dépôts de cuivre ou d'argent. Les segments 5 présentent une forme de secteurs

angulaires et sont séparés les uns des autres. L'ensemble des seg-

ments 5 est recouvert d'une couche 6 de matière isolante électrique-

ment, notamment une résine, incluant des particules de matière, telle que I'aluminium, augmentant la conductivité thermique sans nuire à l'isolement électrique. Cette couche 6 enrobe un élément chauffant

plan 7 qui est constitué par un circuit à résistance constante réa-

lisé par exemple au moyen d'une jauge de contrainte en constantan

ou encore par un dépôt d'une couche mince résistive. L'élément chauf-

fant 7 est ainsi disposé à l'extérieur de la face d'application 2 en étant séparé des segments 5 par une très faible épaisseur de la couche 6. Les segments 5 constituent une zone Z! de mesure de la

température de la zone chauffée du matériau.

La plage annulaire 4 possède en surface des segments 8

conducteurs thermiquement réalisés de la même manière que les seg-

ments 5, en un nombre identique à ces derniers auxquels ils corres-

pondent radialement. Les segments 8 de la plage 4, également recou-

verts d'une couche 6, constituent une zone Z2 de mesure extérieure

de température de référence du matériau.

Les zones Z1 et Z2 sont reliées entre elles par des thermocouples en série comprenant des jonctions chaudes 9 sur les segments 5 et des jonctions froides 10 sur les segments 8. Les fils de liaison des jonctions sont de faible diamètre de préférence inférieur à 0,1 millimètre pour réduire la conduction thermique parasite. Les fils de liaison sont fixés par soudure sur les faces externes des segments 5 et 8 et traversent la platine I par des trous 19 qui sont ensuite bouchés par un apport de résine, tel qu'une résine époxy. Les deux segments extrêmes de la série de jonctions sont reliés, par deux fils 12 et 13 à deux pastilles de connexion 14 et 15 rapportées sur la face 16 de la platine opposée à la face d'application et dénommée dans ce qui suit intérieure. Les pastilles 14 et 15 servent à la connexion de deux conducteurs 17 et 18 faisant

partie d'un cordon 18 de raccordement à un appareil d'asservisse-

ment et de mesure.

La platine I est conformée de manière que les zones Z1 et Z2 soient séparées par une dépression ou creusure 20 annulaire, de manière que la surface d'application de la face 2 soit limitée aux plages 3 et 4. Ceci est prévu pour limiter la conduction entre

les deux zones de mesures Z1 et Z2 lorsque l'appareil est en fonc-

tionnement après applidation sur le matériau ou tissu.

La conformation de la platine 1 est également choisie pour délimiter, à partir de la face interne 16 et en correspondance avec les plages 3 et 4, une dépression ou creusure interne centrale et une dépression ou creusure annulaire 31. Cette conformation permet de limiter l'épaisseur de matière de la platine au droit des zones Z1 et Z2 et de réduire ainsi l'inertie thermique en diminuant

l'énergie calorifique susceptible d'être absorbée.

La fig. I montre que la platine 1 présente, sensiblement,

une épaisseur constante mais, dans certains cas, il peut être envi-

sagé de réduire encore l'épaisseur de matière comprise dans les zones Z1 et Z2 de manière à limiter encore la conduction thermique interne

entre les zones centrale et périphérique.

La platine 1 est associée à un capot 32 réalisé en une - même-ti et--qui cst--adapt-ée-de façon étanche par une portée 33 sur le bord périphérique de la platine 1. Le rebord 34 du capot 32 est situé en retrait du plan de la face d'application 2 et s'établit, par exemple, dans le plan du fond d'une feuillure périphérique 35 ménagée dans la face 2 de la platine à l'extérieur de la plage 4. Le capot 32 délimite avec la platine 1 un volume 36 occupé par une masse M de matériau isolant thermiquement, par exemple du polystyrène

expansé dans lequel sont noyés les conducteurs de liaison inter-

jonctions, les conducteurs 13, 14, 17 et 18, ainsi que deux conduc- teurs 37 et 38, dits d'alimentation électrique, connectés à deux pastilles de raccordement 39 et 40 sur lesquelles sont raccordés

deux conducteurs 41 et 42 menant à l'élément chauffant plan 7.

Les conducteurs d'alimentation 37 et 38 font partie du cordon 18 qui peut, le cas échéant, comporter aussi deux conducteurs 43 et 44 raccordés à deux pastilles 45 et 46, à partir desquelles sont également connectés deux conducteurs 47 et 48 menant à une sonde 49 de mesure de température, telle qu'une thermistance. La sonde 49 est placée dans la zone de mesure de référence Z2 en étant

disposée dans un logement 50 ménagé par la platine 1 dans un inter-

valle de séparation entre deux segments 8 successifs.

Le cordon 18, constitué par l'ensemble des conducteurs,

traverse le capot 32 par une gaine 51 protectrice.

Le capteur décrit ci-dessus constitue un élément de me-

sure de très faible encombrement, réalisé de façon robuste, étant donné que les éléments constitutifs fragiles, tels que les fils de

liaison entre les jonctions en série, sont noyés et protégés à l'in-

térieur de la masse M de matière isolante thermiquement occupant le

volume 35.

La mise en oeuvre d'un tel capteur de mesure consiste à appliquer la face d'application 2 sur la surface du matériau ou du tissu à analyser, pour mesurer la température de cette surface par l'intermédiaire des segments 8 de la zone Z2 L'élément chauffant 7 est ensuite alimenté, de manière à apporter une énergie thermique à

la zone de mesure Z1. La somme des forces électromotrices des jonc-

tions périphériques en série entre les zones Z1 et Z2 est mesurée de manière à évaluer la différence de température entre les deux zones Z1 et Z2. Cette mesure permet d'ajuster l'apport d'énergie

à la zone Z2 pour maintenir constant un écart de température déter-

miné entre les zones Z1 et Z2- La mesure de l'énergie apportée permet

d'apprécier la conductivité thermique du matériau ou du tissu.

La structure du capteur selon l'invention est particuliè-

rement choisie, comme cela ressort de ce qui précède, de manière à réduire les ponts thermiques entre la zone périphérique de référence Z2 et la zone centrale chauffée Z1. Cette réduction est obtenue par la conformation de la platine 1 et, plus particulièrement, par la présence de la creusure annulaire 20 séparant les plages 3 et 4 et

par la feuillure 35.

Les dépressions ou creusures 30 et 31 sont, également, prévues pour réduire l'absorption thermique à partir des segments 5 -et Xet obtenir ainsi une vitesse de réponse élevée et une grande

sensibilité de mesure.

L'existence des pastilles de connexion 14, i5, 39, 40

et 45, 46 permet d'utiliser des conducteurs de liaison ou d'alimen-

tation de section normale sur lesquels s'appliquent, généralement, les contraintes d'utilisation mécanique. Cette conception permet de faire intervenir, à partir des pastilles, des conducteurs de liaison interjonctions de très faible section qui possèdent l'avantage de

réduire la conduction thermique parasie.

Dans le but de limiter l'influence thermique que pour-

raient avoir, par exemple, les rayonnements infra-rouges sur les zones

de mesure Z! et Z2' le capot 32 est muni, au moins sur sa face exté-

rieure, d'un revêtement 52 réfléchissant les rayonnements infra-

rouges. Un tel revêtement peut aussi être prévu sur- la face intérieure

du capot 32 dans le même but.

Les fig. 4 à 7 illustrent une variante de réalisation se-

ion laquelle le capteur est réalisé de manière à posséder une zone Z1

de type linéaire, occupant la partie médiane longitudinale d'une pla-

tine la dont les bords longitudinaux sont occupés par deux zones de mesure de référence Z2 s'étendant parallèlement, de part et d'autre et à égale distance de la zone Z1. La platine la est conformée de façon analogue à ce qui est décrit ci-dessus, de manière à comporter

deux dépressions ou creusures 20a séparant les plages 3a et 4a occu-

pées par les zones Z] et Z2. La platine délimite aussi, à partir de la face interne 16a, les dépressions ou creusures 30a et 31a. Les

creusures 20a sont ouvertes aux extrémités transversales de la pla-

tine la de manière à pouvoir constituer en plus des tunnels de cir-

culation du milieu ambiant évitant la création d'un milieu en confi-

nement entre les zones de mesure et de référence; confinement qui serait responsable d'une modification du pourcentage d'humidité du

matériau à caractériser.

La zone Z comprend des segments conducteurs 5a dont le nombre est égal à la somme de secteurs 8a répartis dans les deux zones extérieures latérales Z2 La fig. 4 met en évidence le schéma de jonction série retenu entre les segments conducteurs 5a et 8a, en faisant intervenir des fils de faible section reliant les jonctions

chaudes 9a aux jonctions froides IOa.

Dans cet exemple de réalisation, l'élément chauffant plan 7a est constitué par un fil 60 de faible section, s'étendant linéairement en regard de tous les segments conducteurs Sa en étant tendu entre deux bornes de connexion 61 et 62. Le fil 60, noyé et maintenu dans la couche 6a est, par exemple, constitué par un fil résistant électriquement indépendamment de la température ou à très

faible coefficient de température, tel qu'en constantan.

Les mêmes avantages que ci-dessus sont à mettre au

compte de cette variante de réalisation.

L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées

sans sortir de son cadre.

Claims (7)

REVENDICATIONS:

1 - Capteur de mesure de la conductivité thermique de matériaux du type comprenant une platine (1) de support présentant, sur sa face d'application (2), une zone de mesure médiane (Z1) conductrice associée à un élément chauffant (7) et une zone exté- rieure de mesure de référence (Z2) et, sur sa face opposée, des conducteurs électriques d'alimentation de l'élément chauffant et de jonction en série entre les zones de mesure médiane et extérieure, caractérisé en ce qu'il comprend:

- une platine (2) en matière isolante électrique-

ment et thermiquement conformée pour délimiter, sur sa face d'application, des plages (3, 4)

placées sur un même plan, séparées par des dé-

pressions (20) et occupées par les zones de mesure (Zl, Z2) qui sont constituées par des

segments (5, 8) conducteurs thermiquement sé-

parés les uns des autres mais reliés en série successivement d'une zone à l'autre par des thermocouples dont les jonctions chaudes (9) sont portées par les secteurs de la zone médiane (Z1) et dont les jonctions froides (10) sont portées par les secteurs de la zone (Z2),

- un élément chauffant plan (7) placé, extérieure-

ment à la face d'application, en relation avec la zone médiane (Zl),

- un revêtement (6) en matière isolante électri-

quement chargée de particules conductrices thermiquement recouvrant les zones de mesure

(ZI, Z2),

- un capot (32) en matière isolante électriquement et thermiquement recouvrant la face de la platine occupée par les conducteurs,

- et une masse (M) de matière isolante thermique-

ment occupant le volume délimité par la platine

et le capot.

I1

2 - Capteur de mesure selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que la platine (2) est-conformée pour présenter, sur sa face (16) opposée à celle d'application, des dépressions (30, 31) correspondant aux surfaces (3, 4) occupées par les zones de mesure (Z1, Z2). 3 - Capteur de mesure selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que les conducteurs de liaison interjonictions sont

constitués par des éléments de faible section traversant l'épais-

seur de la platine (2) et soudés sur les segments.

4 - Capteur de mesure selon la revendication 1, 2 ou 3,

caractérisé en ce que la platine (2) comporte, sur sa face (16) oppo-

sée à celle d'application, des pastilles de contact (14, 15, 39, 40, , 46) sur lesquelles sont connectés les conducteurs de liaison interjonctions et les conducteurs d'alimentation et de mesure (37,

38, 43, 44).

- Capteur de mesure selon l'une des revendications I

à 4, caractérisé en ce que la platine (2) est adaptée avec étan-

chéité dans le capot (32) dont le rebord (34) est placé en retrait

du plan des plages (3, 4) occupées par les zones de mesure (Z1, Z2).

6 - Capteur de mesure selon l'une des revendications I

à 5, caractérisé en ce que la platine (2) est associée à un capot (32) dont la face externe au moins est munie d'un revêtement (52) d'une

matière ayant de bonnes propriétés réfléchissant les infra-rouges.

7 - Capteur de mesure selon l'une des revendications 1

à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une zone (Z1) de mesure cen-

trale circulaire et une zone (Z2) de mesure de référence annulaire

concentrique et extérieure.

8 - Capteur de mesure selon l'une des revendications I

à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une zone (Z1) de mesure cen-

trale linéaire et, de part et d'autre et à égale distance de cette

dernière, deux zones (Z2) de mesure extérieure linéaires et paral-

leles à la zone centrale.

9 - Capteur de mesure selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que la zone de mesure extérieure (Z2) est associée à une sonde (49) de mesure de température située dans une partie de la

platine comprise entre deux segments conducteurs (8).