FR2844050A1 - Dispositif de mesure du rendu thermique d'un materiau - Google Patents

Dispositif de mesure du rendu thermique d'un materiau Download PDF

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Abstract

L'invention propose un dispositif de mesure (10) du rendu thermique d'un matériau donné (11), du type qui comporte un corps (12) sur lequel est disposé un capteur de température (38) dont au moins une partie est agencée dans une zone de mesure déterminée (13), caractérisé en ce que le capteur (38) est recouvert d'une première membrane (32) dont les caractéristiques thermiques sont proches de celles de la peau de l'extrémité d'un doigt humain.

Description

i "Dispositif de mesure du rendu thermique d'un matériau" L'invention
propose un dispositif de mesure du rendu
thermique d'un matériau donné.
s L'invention propose plus particulièrement un dispositif de mesure du rendu thermique d'un matériau donné, du type qui comporte un corps sur lequel est disposé au moins un capteur de température dont au moins une partie est agencée dans une zone
de mesure déterminée.
Dans certains domaines, notamment dans l'automobile, le confort joue un rôle important lors de la décision de l'achat d'un
produit tel qu'une voiture ou un véhicule utilitaire.
Il est donc important d'identifier et de quantifier de manière objective et reproductible les sensations qu sont perçues par
I5 l'utilisateur et qui sont liées au confort.
Le confort intègre notamment la perception tactile qui se
décompose en sensations élémentaires telles que le rendu thermique d'un matériau, c'est-à-dire la sensation de chaud ou de froid lors du contact entre le corps de l'utilisateur et un matériau 20 donné à une température donnée.
Contrairement à certains domaines tels que l'évaluation
visuelle avec des dispositifs de spéctrocoloromètrie, aucun dispositif de mesure n'est capable de quantifier d'une manière représentative et reproductible la perception humaine des 25 sensations liées au toucher.
En effet, il n'existe que deux dispositifs de mesure qui permettent d'évaluer comparativement les comportements thermiques de divers matériaux. Il s'agit du "Touchau" et du
module thermique de la machine de Kawabata.
Cependant, les résultats fournis par ces dispositifs ne peuvent pas être directement mis en relation avec le rendu thermique d'un matériau ou la perception humaine des sensations
liées au toucher.
Actuellement, le rendu thermique d'un matériau donné est évalué par des experts qui quantifient la sensation de chaud ou de froid lors du contact entre l'extrémité de leurs doigts et un matériau donné. Les matériaux sont ensuite classés en fonction 5 des résultats obtenus. Cette façon de procéder, bien que donnant des résultats satisfaisants, nécessite un personnel hautement qualifié et un nombre de mesures important, de façon à minimiser l'effet d'éventuelles erreurs de perception. La détermination du
rendu thermique d'un matériau est donc long et onéreux.
Dans le but résoudre ces problèmes l'invention propose un
dispositif de mesure du rendu thermique d'un matériau donné du type décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le capteur est recouvert d'une première membrane dont les caractéristiques thermiques sont proches de celles de la peau de l'extrémité d'un 15 doigt humain.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention - dans la zone de mesure, un élément souple est interposé entre le corps et le capteur de température de façon à imiter le comportement mécanique de l'extrémité d'un doigt humain 20 lorsqu'il est en contact avec le matériau donné; une seconde membrane est interposée entre le capteur de température et l'élément souple; - la seconde membrane recouvre le corps du dispositif la première et la seconde membranes constituent une 25 membrane unique; la membrane unique est surmoulée sur le capteur de température; - au moins l'une des membranes est en latex - au moins la partie de la surface extérieure de la première 30 membrane qui est située dans la zone de mesure comporte des aspérités, de façon à reproduire l'état de surface de l'extrémité d'un doigt humain; - l'épaisseur de la première membrane est voisine de l'épaisseur de la peau à l'extrémité d'un doigt humain;
- l'élément souple est constitué de caoutchouc souple.
D'autres caractéristiques et avantages l'invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées
dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe axiale du dispositif de mesure du rendu thermique d'un matériau donné selon l'invention; - la figure 2 représente une vue schématique de io l'installation nécessaire à la préparation du dispositif avant d'effectuer les mesures; - la figure 3 représente une vue schématique du dispositif au cours d'une mesure; - la figure 4 représente les courbes d'évolution de la 15 température normée de la zone de contact entre le dispositif de mesure et deux matériaux donnés en fonction du temps; - la figure 5 représente les courbes d'évolution du gradient
des courbes représentées à la figure 4 en fonction du temps.
L'invention propose un dispositif 10 de mesure du rendu 20 thermique d'un matériau, appelé "doigt thermique", qui se
rapproche dans ses formes et dans sa structure d'un doigt humain. Un tel dispositif 10 de mesure permet de caractériser la sensation thermique perçue par un doigt lorsqu'il est mis en contact avec un matériau pour ensuite pouvoir classer chaque 25 matériau selon son rendu thermique.
Dans la suite de la description une orientation, non
limitative, supérieure, inférieure sera utilisée, conformément à l'orientation de haut en bas du dispositif 10 de mesure selon la
figure 1.
La figure 1 propose un dispositif 10 de mesure du rendu thermique d'un matériau en vue de coupe axiale. Il est disposé au contact d'un matériau donné 11. Le contact entre le dispositif 10 de mesure et le matériau donné 11 définit une zone de contact 13. Le dispositif 10 de mesure comporte principalement un corps 12 qui est réalisé dans un matériau rigide tel que du métal, et qui est fermé par un couvercle 14. Le corps 12 constitue l'ossature du doigt thermique 10, il permet notamment de supporter un élément de mesure 16. Le corps 12 est de forme cylindrique d'axe général de révolution A de façon à se rapprocher de la forme d'un doigt humain. Un évidement borgne 18 d'axe A tel qu'un perçage est réalisé à partir de la face supérieure 20 du corps 12 sur la quasi10 totalité de la hauteur de ce dernier. Les épaisseurs d'une paroi latérale 22 et d'un fond inférieur 24 qui constituent le corps 12 sont sensiblement égales, assurant ainsi un comportement thermique sensiblement homogène, quelle que soit la zone du
corps 12.
Les dimensions du corps 12 sont sensiblement les mêmes que celles d'un doigt humain. La hauteur H est par exemple égale
à 60 mm alors que le diamètre D1 peut-être égal à 30 mm.
Un élément souple 30 en forme de disque est placé au contact de la face inférieure du corps 12. Il permet d'imiter le 20 comportement mécanique élastique de l'extrémité du doigt humain
lorsqu'il est en contact avec le matériau donné 11. Le diamètre D2 de l'élément souple 30 est inférieur au diamètre D1 du corps 12. Son épaisseur E est, dans l'exemple proposé à la figure 1, de l'ordre de 5 mm. De préférence, l'élément souple 30 est du 25 caoutchouc souple.
L'ensemble constitué par le corps 12 et l'élément souple 30 est recouvert par l'élément de mesure 16 qui a une section en forme de U. L'élément de mesure 16 est constitué d'une première 30 membrane extérieure 32 à l'intérieur de laquelle sont agencés successivement un réseau de capteurs thermiques 34 ainsi
qu'une seconde membrane 36 intérieure.
La seconde membrane 36 est réalisée dans un matériau dont les caractéristiques thermiques, et notamment le coefficient de transfert thermique, se rapprochent celles de la zone située entre la chair du doigt humain et une couche inférieure de la peau telle que l'hypoderme. cet effet, il est avantageux d'utiliser une
seconde membrane 36 en latex.
La première membrane 32 doit permettre quant à elle de se rapprocher des caractéristiques thermiques et mécaniques de la peau du doigt humain. Pour l'exemple proposé, il est avantageux d'utiliser une première membrane 32 en latex dont l'épaisseur est voisine de 0,85 mm. Afin de garantir la conformité de la réponse io thermique et mécanique du dispositif 10 de mesure à celle d'un doigt humain, il est préférable que l'épaisseur de la membrane 32
soit définie avec une précision de 0,05 mm.
Avantageusement, des aspérités sont réalisées sur la surface extérieure de la première membrane 32 de façon à i reproduire les légères ondulations de la peau telles que les
empreintes digitales.
Le réseau de capteurs 34 proposé à la figure 1 comporte quatre thermocouples 38 qui permettent de mesurer la température au niveau de la zone de contact 13 entre le dispositif 20 10 de mesure et le matériau donné 11. Les quatre thermocouples 38 permettent de mesurer les écarts éventuels de température dans la zone de contact et ainsi de diminuer les erreurs de mesure dues à une mauvaise homogénéité de la température au niveau de la zone de contact 13. Cependant, il est possible 25 d'utiliser un seul thermocouple 38, si ce dernier permet de s'affranchir des erreurs de mesure par son agencement ou sa conception. D'autres capteurs tel qu'un capteur de flux peuvent être utilisés. Il est avantageux d'utiliser des capteurs du type K qui sont des thermocouples présentant une bonne aptitude à la soudure ainsi qu'une résolution suffisante. En effet, par exemple, les thermocouples de type K sont, constitués des couples NickelChrome/Nickel-Aluminium qui présentent une sensibilité de pvolt/ C. Lors d'une acquisition du signal sur un voltmètre ayant une précision de 0,lpvolt de la précision que résultats obtenus est de 0,0025 C. Le couple Nickel-Chrome/NickelAluminium présente une faible oxydation pendant la soudure ainsi 5 que lors de son fonctionnement ce qui facilite la fabrication et la
maintenance des thermocouples.
Les thermocouples 38 sont reliés à un connecteur de
raccordement 40 qui est fixé sur le couvercle 14.
Selon une variante de l'invention non représentée, io l'extrémité inférieure du dispositif 10 de mesure est courbe de
façon à se rapprocher de la forme de l'extrémité du doigt humain.
Le fonctionnement du dispositif 10 de mesure du rendu
thermique d'un matériau 11 est le suivant.
Le but est de mesurer une caractéristique qui est i5 représentative du rendu thermique d'un matériau donné 11. Ceci permet alors de classer le matériau donné 11 dans une catégorie qui correspond à la sensation perçue par un doigt humain lorsqu'il
est mis en contact avec ce matériau.
Pour que le doigt perçoive une sensation thermique, qui 20 est due aux échanges thermiques, il est nécessaire que la température du matériau donné 11 soit à une température
différente de celle du doigt.
Ainsi, dans un premier temps, le dispositif 10 de mesure est conditionné thermiquement. Il est placé dans un support 50 25 disposé à l'intérieur d'une enceinte 52. La température à l'intérieur de l'enceinte 52 est régulée à l'aide de moyens de chauffage non représentés. La valeur de la température à l'intérieur de l'enceinte 52 dépend du type et de la précision de la mesure souhaitée. Elle est généralement de l'ordre de 35 C, ce 30 qui correspond à la température de l'extrémité d'un doigt humain
lorsque la température ambiante est d'environ 20 C.
Lorsque l'ensemble du dispositif 10 de mesure est à une température sensiblement homogène, il est sorti de l'enceinte 52 et son extrémité inférieure est placée sur une partie du matériau donné 11 à caractériser conformément à la figure 3. Pour que le contact entre le dispositif 10 et le matériau donné 11 soit reproductible, il est nécessaire d'appliquer une force suffisante
qui est de l'ordre de 2N.
Un dispositif d'acquisition de données 54 déclenche aussitôt la mesure de la température fournie par les thermocouples 38 au niveau de la zone de contact 13. Lorsque la mesure est terminée, c'est-à-dire lorsque la température du dispositif 10 et du matériau donné 11 sont sensiblement égales o dans la zone de contact 13, le dispositif 10 de mesure est replacé
dans le support 50 à l'intérieur de l'enceinte 52.
Le dispositif d'acquisition de données 54 permet alors de fournir l'évolution de la température au niveau de l'extrémité du dispositif 10 de mesure en fonction du temps. Ces valeurs sont traitées de façon à définir une courbe de température normée du matériau donné 11, c'est-à- dire T * (t) T(t) - Tid Tp - Tid telle que T*(t) est la température normée, T(t) est la température mesurée par le dispositif 10 de mesure, Tp est la 20 température initiale du matériau donné 11 et Tdi est la
température initiale du dispositif 10 de mesure.
Pour qu'il y ait des échanges thermiques entre le dispositif
de mesure et le matériau 11, il est nécessaire que la température initiale Tp du matériau donné 11 soit différente de la 25 température initiale Tdi du dispositif 10 de mesure.
La figure 4 présente les courbes de température normée en fonction du temps, exprimé en secondes, pour de l'acier et du coton, référencées respectivement 56 et 58. Les deux courbes 56 et 58 ont une allure générale similaire, une première partie 30 montre une augmentation rapide de la température normalisée
puis une seconde partie révèle une convergence de la température normalisée vers la valeur déterminée inférieure à 1.
Cette convergence illustre l'établissement de l'équilibre thermique entre la température du dispositif 10 de mesure et la température du matériau donné 11, l'équilibre est atteint après plusieurs minutes. La courbe des températures normées est ensuite traitée 5 par un dispositif, non représenté, pour fournir la courbe normée des gradients de température en fonction du temps du matériau donné 11. La figure 5 représente l'allure des courbes normées des gradients de température en fonction du temps, pour de l'acier et du coton, référencées respectivement 60 et 62. Chaque io courbe des gradients correspond à la dérivée dans le temps de la courbe de température normée du matériau donné 11 correspondant. Les échelles des courbes de température T*(t) et de gradient sont normées par rapport à l'écart initial des températures entre le dispositif 10 de mesure et le matériau donné 11. Ce traitement permet de s'affranchir des fluctuations locales de température au niveau de la zone de contact 13,
pendant la durée des mesures.
Le traitement permet en outre de comparer des mesures 20 effectuées sur des matériaux différents dans des conditions
expérimentales différentes. Ainsi, il est possible de réaliser des mesures sur des matériaux donnés 11 différents, par exemple, avec une température initiale Tp du matériau donné 11 différente et de pouvoir classer des matériaux donnés 11 différents selon 25 leur rendu thermique.
Plus le gradient est élevé, plus le transfert thermique entre le matériau donné 11 et le dispositif 10 de mesure s'est produit rapidement. L'augmentation rapide de la température normalisée se 30 traduit par un "pic" du gradient, la convergence de la température normalisée vers la valeur déterminée se traduisant quant à elle
par la convergence vers 0 du gradient.
Un procédé d'exploitation des résultats fournis par le
dispositif d'acquisition de données 54 est le suivant.
De manière générale, I'analyse de la courbe normée des gradients de température fournit une valeur représentative du rendu thermique du matériau 11. Cette valeur permet alors de situer le matériau donné 11 sur une échelle qui s'étend depuis un s rendu thermique nul, pour un matériau qui ne provoque aucune sensation thermique lorsqu'il est touché par une partie du corps humain, notamment par un doigt, et un rendu thermique fort pour un matériau donné 11 qui procure une sensation thermique forte de chaud ou de froid selon que le matériau donné 11 est plus io chaud ou plus froid respectivement que la partie du corps humain
avec lequel il est en contact.
Lorsque la température initiale Tp du matériau donné 11 est inférieure à la température initiale Tdi du dispositif 10 de mesure, plus le gradient est élevé, plus rapidement le matériau donné 11 a "absorbé" la chaleur de l'extrémité du dispositif 10 de mesure. Donc, plus le gradient est élevé, plus le matériau donné
11 a un rendu thermique fort.
Dans la suite, I'acier est pris pour exemple, l'évolution de sa température normée est représentée par la courbe 56 sur la 20 figure 4, I'évolution des gradients correspondants est représentée
par la courbe 60 sur la figure 5.
L'exploitation de la courbe normée 60 des gradients de température consiste notamment à mesurer l'aire 70 de la surface située entre l'axe des abscisses, c'est à dire l'axe du temps, et la 25 courbe normée 60 qui est représentative du rendu thermique du matériau. L'aire 70 dépend principalement de la hauteur Hc du pic de la courbe 60, elle est représentée sur la figure 5 par une zone hachurée.
Plus l'aire 70 est importante plus le matériau donné 30 procure une sensation thermique forte.
Une valeur approchée de ce résultat est obtenue en prenant en compte la courbe normée 60 sur une durée limitée qui est par exemple de dix secondes. Ainsi, la durée de la mesure de l'évolution de la température normalisée d'un matériau donné 11
est déterminée et est égale à cette durée limitée déterminée.
La valeur de la hauteur Hc de la courbe normée 60 peut constituer une autre valeur approchée de la valeur représentative du rendu thermique. Ainsi, le dispositif 10 de mesure permet de caractériser
chaque matériau selon son rendu thermique.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure (10) du rendu thermique d'un matériau donné (11), du type qui comporte un corps (12) sur lequel est disposé un capteur de température (38) dont au moins 5 une partie est agencée dans une zone de mesure déterminée (13), caractérisé en ce que le capteur (38) est recouvert d'une première membrane (32) dont les caractéristiques thermiques sont proches de celles de la peau de l'extrémité d'un doigt humain.
2. Dispositif de mesure (10) selon la revendication
précédente, caractérisé en ce que, dans la zone de mesure (13), un élément souple (30) est interposé entre le corps (12) et le capteur de température (38) de façon à imiter le comportement mécanique de l'extrémité d'un doigt humain lorsqu'il est en 15 contact avec le matériau donné (11).
3. Dispositif de mesure (10) selon l'une des revendications
1 ou 2, caractérisé en ce qu'une seconde membrane (36) est interposée entre le capteur de température (38) et l'élément
souple (30).
4. Dispositif de mesure (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la seconde membrane (36)
recouvre le corps (12) du dispositif (10).
5. Dispositif de mesure (10) selon l'une des revendications
3 ou 4, caractérisé en ce que la première (32) et la seconde (36) 25 membranes constituent une membrane unique.
6. Dispositif de mesure (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la membrane unique est
surmoulée sur le capteur de température (38).
7. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins l'une
des membranes (32, 36) est en latex.
8. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins la partie de la surface extérieure de la première membrane (32) qui
est située dans la zone de mesure (13) comporte des aspérités, de façon à reproduire l'état de surface de l'extrémité d'un doigt humain.
9. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de
la première membrane (32) est voisine de l'épaisseur de la peau à
l'extrémité d'un doigt humain.
10. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément 10 souple (30) est constitué de caoutchouc souple.
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