Capteur magnétique de température sans contact

29/08/2017
Publication REE REE 2006-7
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-7:19697
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Capteur magnétique de température sans contact

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	    <date dateType="Created">Tue 29 Aug 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Tue 29 Aug 2017</date>
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MReperes 1 L'ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR (2EmE PARTIE) Capteur magnétique de température sans contact Diana MAVRUDIEVA Jean-Yves VOYANT, Jean-Paul YONNET, Afef KEDOUS-LEBOUC Laboratoire d'électrotechnique de Grenoble FG UMR 5529 INPG/UJF-CNRS, ENSIEG Mots clés Capteurmagnétique, Températuresanscontact, Couplagemagnétique, Alliages magnétiquesdoux, Point de Curie 1. Contexte Les capteurs de température trouvent une large gamme d'applications dans les processus automatisés, pour le contrôle et la régulation de la température. Nombreux sont les cas où une mesure avec contact s'avère inappropriée ou très coûteuse. Pour certaines applications, notamment dans le contexte automobile ou industriel, il n'est pas possible de faire passer des conducteurs électriques jusqu'au point de mesure (enceinte hermétique, etc.). De nos jours, il existe de nombreux moyens de mesurer la température. Une classification très simplifiée est donnée sur la figure 1. Dans cer article, une nouvelle idée de capteur magnétique de température sera présentée. C.Fit)ICU1'SCjetempérature température Avccconc !. Sans(iitict '\ ( " 1 Non l électrique J F () l-t 1 c-, L-1 e-hla ;_nétique., Figure J. Classification des capteurs de température. 2. Introduction Le capteur de température présenté ici appartient au domaine des capteurs magnétiques. Un de leurs principaux atouts est d'être indépendant de l'état de surface de l'élé- ment sensible, la mesure se faisant par variation de proprié- tés magnétiques dans le volume global de l'échantillon. La claîne de mesure utilise, comme élément sensible, des matériaux magnétiques dont les propriétés sont très sensi- bles aux variations de la température (fig. 2). Il s'agit d'al- liages à base d'éléments de transition fer-nickel, proches de ceux déjà utilisés pour faire de la compensation thermique dans les appareils de mesure de précision. T ( " () .. 1I mam.. T; a,cluctcur iuclule g-fZl 1 -1-,, 1, Tiii, (I [iLicLii S-I' (l) (I Wi) ; mnmUiqu i i i > 1, (ii-CLIi 1 r 1 1 1 ,, "'-, " " 1,., Figure 2. ChÉiîiîe de mesure. Le transducteur peut être un circuit magnétique. Il a pour but de transmettre au module électronique les varia- tions des propriétés magnétiques de l'élément sensible à la température. Le module électronique donne en sortie ESSENTIEL SYNOPSIS Les mesures de température sans contact sont actuellement réa- lisées en utilisant des capteurs optiques relativement chers. On s'intéresse ici à la faisabilité des mesures de température sans contact basées sur des phénomènes magnétiques, telles que les variations des propriétés magnétiques de certains alliages d'élé- ment de transition Fer, Nickel. Les résultats de la caractérisation magnétothermique des alliages FeNi ont montré que ces alliages peuvent efficacement être utilisés comme cible de température associée à un transducteur magnétique. La mesure sans contact est effectuée par couplage magnétique à distance, et donc sans aucun contact électrique ni mécanique entre la cible et le trans- ducteur. Deux prototypes de transducteurs magnétiques ont été développés et des résultats expérimentaux sont présentés dans ce papier. Nowadays, contactless temperature measurements are done using expensive optical sensor systems. ln this paper, we are exploring a novel contactless temperature measurement solution, based on the magnetic property variations of some soft ferroma- gnetic alloys (NiFe). The thermomagnetic characterization of NiFe samples proved that such alloys could efficiently be used as tem- perature probe associated to a magnetic transducer. The contac- tless measurement is done only by magnetic coupling and without any electrical or mechanical contact between the probe and the transducer. Few sensor prototypes were developed and the expe- rimental results are reported in this paper. REE NU 8 Septeiiibi-e 2006 Capteur magnétique de température sans contact une grandeur électrique qui est l'image des variations de la température. L'élément sensible doit être convenable- ment placé dans la zone de mesure, associé à un objet en mouvement ou à l'intérieur d'une enceinte étanche, d'une boîte de vitesse, etc. 3. Principe Les alliages à base d'éléments de transition fer-nickel ont des propriétés magnétiques très sensibles aux varia- tions de la température [I]. En dessous de leur tempéra- ture de transition (point de Curie, Tc'), ces matériaux ont un comportement ferromagnétique ; au-dessus de cette température ces matériaux sont paramagnétiques (fig. 3). Toute fluctuation de la température au voisinage du point de Curie, plus précisément à quelques dizaines de degrés avant le point de Curie, provoque une variation (diminu- tion ou augmentation) progressive et rigoureusement réversible de la polarisation magnétique (Js = fT)) et de la perméabilité relative. On peut exploiter cette propriété magnétique pour faire une mesure de température en générant une tension électrique traduisant la variation de Js(T). 1 1- iiell (ILIC 11 (l li Lie, i1 t i 111 Il 1 1 1 1 1 1 1.c > Figure 3. Evolution de la polarisation à saturation avec li teiîipéialitre. 4. Etude du comportement magnetothermi- que des alliages fer-nickel Certaines propriétés magnétiques des matériaux doux dépendent très fortement de la température, et peuvent effectivement être exploitées pour mesurer et contrôler la température. Des dispositifs utilisant la variation de la perméabilité relative de certains matériaux ferromagnéti- ques doux ont déjà été proposés dans plusieurs publica- tions [2-4]. On y retrouve des exemples de capteurs magnétiques de température nommés MTS et utilisant des alliages Fe-Ni ou des ferrites. L'intérêt d'utilisation des MTS réside dans la variation importante de la per- méabilité de ces matériaux avec la température. La tem- pérature de Curie peut être ajustée suivant la plage de mesure de l'application envisagée. Le point de Curie désiré est obtenu en visant une composition idéale et en soumettant le produit fini à un traitement thermique judi- cieusement déterminé. Ainsi la valeur de Tc varie-t-elle en fonction de la composition des alliages, notamment la teneur en Ni ou l'addition d'autres éléments chimiques tels que Cr, Co, Cu, Nb ou Mo [2]. La pente de variation de la perméabilité, quant à elle, dépend fortement des trai- tements thermiques, durée et conditions de recuit, type de refroidissement... Les alliages d'éléments de transition utilisés dans cet article sont de type FeNi à très bas taux de nickel, environ 30 %. Ces alliages sont élaborés au Centre de Recherche d'linphy Alloys ". Le point de Curie est déterminé à partir d'une courbe enregistrée au thermo- magnétomètre Chevenard. Pour les différentes coulées, le point de Curie varie dans la plage de 90° C à 200'C. Les alliages se présentent sous forme de plaques (50 x 15 mm, épaisseur 0,55 mm) ou rondelles (36 x 25 mm, épaisseur 0,6 mm). Les différentes coulées de matériau ont été recuites plusieurs heures à température très élevée sous atmosphère contrôlée. Le comportement thermoma- gnétique de ces alliages a été caractérisé à l'aide d'un banc de mesure (fig. 4). Pour la caractérisation on utilise exclu- sivement des rondelles d'alliage FeNi, parce qu'elles représentent un circuit magnétique fermé. Dans la pratique, l'emploi sous forme de rondelles étant extrêmement rare, il convient de tenir compte du champ démagnétisant. Le matériau est magnétisé sous champ alternatif à fréquence 50 Hz. La tension mesurée aux bornes du bobinage secondaire permet de déduire l'induction. i3er,érateur,e krixicr,_r f l f, -tn'rfk'n 3 r t i li.,et, mjTtënj r -j -- ., i- z i, t'le - 1 e3 7, -r 7ur,t -j 3 r , :;rrçliiat:-ur.: 1 Lk,, " 1 - --K "X'tL''./.U..--" - r " j 11 j r t LB,l 1 T1C,TLB,1CT.1DT 1 l-- Il Fiui (rc 4. Bcnc de cai-actéi-isatioi de. échaiîtilloiis de FeNi. Les essais à température variable sont effectués en plaçant l'échantillon dans une enceinte thermique. La 2 3 Tc : températuredeCurie MTS-MagneticTemperatureSensor IMPHYALLOYS HYPERUNK " http ://www.imphyatioys.com/ REE No 8 Septembre2006 figure 5 montre, pour le cas d'un alliage à Tc de 90° C, l'évolution des courbes B (H) avec la température. En abs- cisse sur la fig. 5 on a le champ magnétisant équivalent au courant alternatif traversant le bobinage primaire, et en ordonnée, on a la valeur de l'induction déduite de la mesure de la tension aux bornes du bobinage secondaire. Le système étudié est décrit par les équations (1) et (2). La tension V2 est estimée en valeur efficace à partir de la mesure de la valeur moyenne redressée. L'induction B est une valeur crête. 1 Hcll = 1 Ni li i--> H/c,\1 L 1 c,\ 1, J-C,\ i v./ (1) f', 1 = N dt t', = 4,44./,N', BI-- (,\isr-t,\i (2) OG f fn-. : : ; - ; =. :.- - "" ; A ::: o.s 0,4U,4 . 7W'C 60°C - - 70C 0.2 AO'C 0.1' ASC rt 0'' 0 3 ) 0 61DC 901 ( " 1200 1500 1800 21C) ( 2,100 Chunlp ci'xcitation (.aim) Figure 5. Coiiipoi-leiiient i) iagiiétothei-niiqtte des alliages FeNi. Pour simplifier, on utilisera dans la suite la dénomina- tion « induction à saturation » au lieu de « polarisation à saturation ». Elle est relevée pour un champ de 2000 A/m. La fig. 6 donne son évolution avec la température. On y voit la dégradation progressive de l'induction à saturation (et donc de la perméabilité relative) avec la température, jusqu'à son annulation pour des températu- res supérieures ou égales au point de Curie. 0.6 lU f .4 J. o. '-' 0- ,.1 11111 11 . Is (l) 4f) oo lm 1 1 () () 1 - (') 4 () Figiti-e 6. Evoliition de l'iiidttclion à sattii-ation avec la température. La caractérisation des matériaux a permis de mettre en évidence la variation de leurs propriétés magnétiques avec la température, ainsi que de confirmer la réversibi- lité du phénomène de transition entre l'état ferromagnéti- que et l'état paramagnétique. Dans la suite de ce docu- ment on présente quelques idées de dispositifs permettant d'exploiter ces variations des matériaux. 5. Dispositif d'application à la mesure de température La figure 7 représente une structure analogue à celle d'un capteur inductif dont le principe est déjà connu [5]. L'élément (1) désigne l'élément sensible en FeNi (la cible), et (3) désigne un demi-pot ferrite (le transducteur). Les bobinages, (2) sur la fig. 7, sont placés sur le noyau du circuit magnétique. Par principe, les capteurs inductifs fonctionnent par variation des propriétés de la cible, dans notre cas le FeNi. Mais la variation de l'entrefer entre lui et le pot ferrite influe aussi sur la réluctance du circuit magnétique. Il en résulte une variation du flux total du dispositif, et donc une variation de la tension secondaire. A partir de la mesure de cette tension, on peut déduire les variations des propriétés du FeNi avec la température. Dans cet article on montre d'abord les résultats des mesu- res sans entrefer, ensuite quelques résultats, illustrant l'ef- fet d'un entrefer fixe. ---,"-. "_--..1 __. \_` 11&1-11 il l 1 %letii-e (le Il teiisioli secondaire Aimantation élmcstlrcdllet LIi C ( LI 1 lll t]) l'il Il l i I-CCOlll'alll) l'IlllFill'C Figure 7. Capteur inductif de tenipératitre d'api-ès [6]. A. Mesure sans entrefer L'élément sensible en FeNi est associé à un demi-pot ferrite chargé de refermer le flux et comportant un bobi- nage d'excitation et un bobinage de mesure, fig. 7. L'entrefer entre le FeNi et le pot ferrite est considéré nul. Cependant il reste toujours un entrefer résiduel, négligea- ble dans notre cas. On en déduit les variations de l'induc- tion et du champ dans l'élément sensible en fonction de la température. Une carte électronique permet de convertir et d'ampli- fier les signaux issus des bobinages, ainsi que de donner en sortie du système une image de la perméabilité du FeNi, et donc de ses variations avec la température. La figure 8 donne le résultat obtenu et montre une forte sen- REE N 8 Septembre2006 Capteur magnétique de température sans contact > -4 '.J) x 77 1- / "-6 1 1,47 : c ; 1 'j r'j - ( -4 () (, () 8 () li) () 1- () 14) 1elii léi-ztt Lit-e ( (') ,Figtire 8. Variation de la tension iiiestii-ée en soi-tie avec la température sibilité du capteur, avec une variation représentant envi- ron 25 % du signal sur une plage de 80'C. B. Evaluation de l'effet d'un entrefer sur les mesures Dans cette partie, on présente les résultats des mesu- res dans le cas où l'entrefer entre le FeNi et le capteur n'est pas nul, afin de prouver la faisabilité d'une mesure sans contact. Des essais avec différents entrefers ont été faits. Ils ont permis de déterminer l'influence de l'entre- fer, ainsi que l'entrefer optimal pour lequel la mesure demeure possible. La figure 9 représente le schéma du dispositif utilisé lors des simulations numériques sous Flux2D menées parallèlement aux mesures. Par raison de symétrie on étudie une moitié du circuit. Les parties constitutives sont également indiquées sur la fig. 9. - - --_---.JLlltrcfcr 1MatériauFeNi - Bobinage 1 1,1, -1ito-1 Ilot lci Figarre 9. Schéma du dispositif de mesitre avec entrefei- variable sous Flitv2D. La figure 10 représente les variations de la tension en sortie en fonction de la température, et pour différents entre- fers fixes (0 mm, 1,5 mm, 3 mm et 4,5 mm). Les courbes sont relevées pour un même point de fonctionnement. Le courant d'excitation étant de 220 mA. La mesure est faite directement sur le bobinage secondaire et la tension en sortie donne l'image de l'induction à saturation. Il est montré ici, fig. 10, qu'en présence d'un entrefer de quelques millimètres (1 à 2 mm), les mesures sont ) f) ---'100 1- () Omm 5111111 4,5tiiiii i7-' () () . :/j '-' o 1,5111111 4,5ti 1-, 1 1// "/. " l, - -- -- -- - 1 00 : v - \1 4(1 () {J RII Teiiipéi-,ilLite (5C) 11111 Figzrre JO. Tension en soi-tie en fonction de la lenipératiire et de l'entrefa encore possibles avec une bonne linéarité sur une plage de 20°C à 30° C avant Te. Cependant, une mesure au- delà de 4 mm s'avère peu intéressante, dans cet exemple, à cause de l'effet prédominant des fuites qui masquent les variations des propriétés du FeNi. 6. Dispositif à aimants ferrites La figure 11 représente une autre structure potentiel- lement intéressante. La structure est composée d'une pla- que de FeNi (1), deux aimants ferrites (2) et deux pièces en fer doux (3). Les aimants ferrites imposent une induc- tion d'environ 0,4 T qui est canalisée dans le FeNi et les pièces polaires en fer. Entre les deux pièces polaires, on crée un entrefer fixe de 4 mm. Le but est de mesurer l'induction dans l'entrefer. Pour cela, on utilise une sonde à effet Hall. Les lignes de champ magnétique créées par les aimants ferrites, sont canalisées dans le FeNi et les plaques de fer doux et traversent l'entrefer. Lorsque la température varie, l'induction du FeNi varie elle aussi, à cause des variations de sa perméabilité. Cela modifie l'in- duction dans l'entrefer et permet de faire une mesure en fonction de la température. La polarisation des aimants ferrites varie elle aussi avec la température d'environ 0,2 %/° C. Une telle structure permet d'avoir une mesure constante dans l'entrefer, indépendamment de la position de la sonde. Deux approches d'étude ont été adoptées : b 9 714Z 1 -1 t m Figiii-e Il. Sti-tictiire à aiiiianisfei-rites. REE N8 Septembre2006 ./ l'approche simulation et l'approche essais. Les simula- tions ont été effectuées à l'aide du logiciel FLUX2D. Les variations du FeNi avec la température ont été prises en compte dans les simulations afin de mieux visualiser les variations du flux dans le système avec la température. Il est à noter que la géométrie sous FLUX2D ne correspond pas tout à fait aux dimensions réelles du capteur. Les dimensions ont été corrigées afin de conserver en simula- tion numérique 2D des sections de flux identiques aux pièces réelles 3D qui sont de profondeurs différentes. Les figures 12 et 13 montrent la répartition du flux dans le système pour les deux cas extrêmes, à température ambiante et à température de Curie. Dans les deux cas, les lignes de flux sont tracées par paliers identiques de 0,5 J.l Wb.Cela permet de mieux comparer les deux figures. On voit qu'à température ambiante (fig. 12), le flux créé par les aimants est totalement canalisé dans le FeNi et les pièces de fer, et on a peu de pertes dans l'air. Par contre, à Te (fig. 13), on voit que le FeNi ne canalise presque plus du tout le flux des aimants et on a beaucoup plus de flux de fuite dans l'air. La figure 14 représente les résultats d'essais effectués avec cette structure. La courbe (1) montre les variations, avec la température, de l'induction dans l'entrefer engen- drée seulement par les aimants. La courbe (2) montre les variations combinées des aimants et du FeNi. D'après la courbe (1), on voit que l'on peut utiliser les variations d'aimantation des ferrites pour faire un capteur de tempé- rature sur une large plage ( ; - 100'C) et avec une sensibi- lité de 0,2%/° C, correspondant à la caractéristique natu- relle des aimants ferrites. La courbe (2) montre que l'in- sertion du FeNi dans le circuit magnétique permet d'am- plifier les variations sur une zone bien déterminée. Dans cet exemple, pour un FeNi avec un Te de 90° C, on obtient, dans la zone utile (15'C avant Te), une sensibi- lité de l'ordre de 2%/° C. Cette sensibilité peut encore être améliorée en modifiant la structure de facon à dimi- nuer les fuites dans l'air autour de l'aimant lorsque le FeNi perd ses propriétés magnétiques (fig. 13). 7 Conclusion Dans cet article a été présenté un nouveau système de capteur de température. Il est basé sur l'utilisation des matériaux ferromagnétiques doux, alliages de FeNi, variant fortement avec la température. Tout d'abord, les résultats de la caractérisation intrinsèque des alliages FeNi ont été présentés, afin de justifier leur choix pour la réalisation du capteur. Le principe de mesure sans contact a également été montré dans ce papier. Ensuite, deux types de structures, l'une avec des aimants et l'autre sans, ont été présentés. Les résultats des mesures et des simu- lations ont été commentés et illustrés avec des figures. Les études qui se poursuivent visent la réalisation d'au- i,-iic lle LI] ( [\ 0). " r "'1 1 1 4 1 , 1 1 q Il 1,) 1 1 4 1 1 (1 1,, 1 1, () [1, -oIb 71) 10 7 9 8 6 Figiii-e 12. Ligiie éqtiiflii,£ à leiiipéi-cititie anibiaizle. Ugnc.V.dcur (Wb) 1 - () 0 1 t !. , 1 5).5/ o ;.U -11, l,'l' () 1() 4 () (, \ 8 9 7 r 41 Figune 13. Liai7es éqiifli (,y à Tc. S.O !' E . "- X.oo1 - : (j 0.00 'Oo 4. () - LIIII1.00 Vil-i,itit) ll 1 Vnrkuion amants U 20) ) 0 40 , 0 (O -, 0 ,, 0 90 100 r urc !'C Figure 14. Variatioii de I'indzrction dans I'entrefer tres structures de capteur magnétique de mesure sans contact. L'objectif étant toujours de supprimer tout contact électrique et mécanique entre l'élément sensible et le transducteur, avec un lien entre eux qui ne se fasse que par couplage magnétique. Les applications sont nom- breuses, en particulier dans la régulation de température et la surveillance des échauffements. REE IN 0 Septembre2006 Références [1] [21 GOUDERCHON, " Alliages magnétiques doux ", Techniques de l'ingénieur, M350, Septembrel998. D. l, TCHERNEV TE, COLLIER, " Digital Magnetic Temperature Transducer' : IEEE Trans, Magn,, vo September 1971. MAG-7 pp. 450, [3] 41 51 K. MURAKAMI, " The Characteristics of Ferrite Cores with Low Curie Temperature and their Application ;' IEEE Trans, Magn., vol. MAG-1, pp. 96, June 1965. C. MICLEA, C. TANASOIU, C. F. MICLEA, A. GHERGHIU, V. TANASOIU, " Soft ferrite Matenals for Magnetic Temperature Transducers and Applications ", J. Magn. Magn. Mater., vol 290-291, pp. 1506-1509, December 2004. J-L. CHARRON, " Mesures sans contact, Méthodes magné- tiques et capacitives ;'Techniques de !'fngénteur, R 1 331. A. YAKOUBEN, " Etude et réalisation d'un capteur magnéti- que de température sans contact ", Master Professionnel Ingénierie des systèmes magnétiques, Université Joseph Fourier, Grenoble, septembre 2004. Les auteurs Diana Mavrudieva, est diplômée ingénieur en 2003 de l'Université technique de Sofia, Bulgarie. En 2004 elle a obtenu un Master de Recherche en génie électnque de l'Institut National Polytechnique de Grenob ! e ( ! NPG),France et a rejoint le Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble ILEGI, France où elle prépare actuellement une thèse de doctorat, soutenance prévue en 2007 Jean-Yves Voyant est ancien élève de l'École Normale Supérieure de Cachan. En 1990, Il a débuté ses activités de recherche dans le domaine des télécommunications en préparant un Master of Science à l'Université de Surrey (GB. À partir de 1992, Il s'est inté- ressé plus particulièrement au domaine du véhicule électrique puis s'est inscrit en thèse à l'Institut National Polytechnique de Grenoble où ri a obtenu, en 1997 le titre de Docteur en Génie Elec- trique. Depuis lors, son thème de recherche est centré autour des capteurs pour des applications souvent liées aux transports et en particulier à automobe. Il enseigne en tant que professeur agrégé depuis 1995 à l'Ecole Nationale Supéneure d'Ingénieurs Électriciens de Grenoble. Jean-Paul Yonnet est Ingénieur ENSIEG-INPG, Docteur ès- Sciences, Directeur de Recherche au CNRS. Son activité de recher- che (au Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, équipe MADEA) et d'enseignement est axée pnncipa ! ement sur'utitisa- tion des maténaux magnétiques et sur l'étude des systèmes nou- veaux et innovants qui fonctionnent grâce à ces matériaux, en par- ticulier dans le domaine des transports. Afef Kedous-Lebouc, est Ingénieur ENSIEG, HDR, Directeur de Recherche au CNRS. Elle travaille à institut National Polytechnique de Grenoble, où elle est responsable de l'équipe de recherche « Matériaux et Dispositifs Electromagnétiques Avancés » du Laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble, Son activité de recher- che et d'enseignement porte sur l'utilisation des matériaux magné- tiques doux et sur l'étude de leurs applications, REE N8 Septembre2006