EP2387709A1 - Microsensor produced in microsystem technologies for the measurement and/or detection of fouling - Google Patents

Microsensor produced in microsystem technologies for the measurement and/or detection of fouling

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Publication number
EP2387709A1
EP2387709A1 EP10707321A EP10707321A EP2387709A1 EP 2387709 A1 EP2387709 A1 EP 2387709A1 EP 10707321 A EP10707321 A EP 10707321A EP 10707321 A EP10707321 A EP 10707321A EP 2387709 A1 EP2387709 A1 EP 2387709A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
temperature
heating element
temperature measuring
fouling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10707321A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Laurent Auret
Frédéric FLOURENS
Luc Fillaudeau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AQUALABOR SERVICES
Original Assignee
NEOSENS
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Filing date
Publication date
Application filed by NEOSENS filed Critical NEOSENS
Publication of EP2387709A1 publication Critical patent/EP2387709A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/008—Monitoring fouling
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention relates to a sensor and a system for measuring or detecting the fouling of a reactor or a pipe containing a fluid.
  • These installations comprise pipes in which fluids circulate and may also comprise reactors such as, for example, heat exchangers.
  • fouling of such installations can be detrimental to the extent that it is likely to affect the performance of the installation (for example the efficiency of an industrial process).
  • fouling when fouling is formed on the inner wall of a pipe or a reactor, it should be cleaned at the right time.
  • the fouling irregularly cause the shutdown of the installation and this, for a sometimes indeterminate duration, which strongly penalizes the course of the industrial process.
  • These interventions can be painful tasks for the staff, especially if the fouling has been detected only late and if its thickness is too great.
  • This de-clogging has a significant economic cost since it is appropriate to include in the cost of maintenance operations the cost of the temporary shutdown of the operation.
  • methods are used to measure the thickness of the fouling layer formed inside the walls of a pipe or a reactor using a measurement of the pressure drop that occurs between two points spaced in the direction of fluid flow. Methods that measure temperature differences between these points can also be used.
  • Document FR 2 885 694 discloses a method for measuring the fouling in a reactor or pipe that uses two temperature probes. More particularly, these two probes are introduced into a pipe respectively through two stitching points and one of these probes measures the temperature of the fluid, while the other probe measures the wall temperature of a heat generator.
  • the first step is to obtain a temperature difference between the wall temperature and the fluid temperature as close to zero as possible. Then, the heat generator emits a heat flux while the temperature difference between the wall temperature and that of the fluid is measured over time, the reactor fouling condition being determined from the measurement this temperature difference.
  • two temperature probes even if they are of the same type, always have a certain operating drift relative to each other because of, for example, dispersions occurring during manufacture.
  • the two probes do not have the same behavior relative to each other vis-à-vis the same temperature of the medium in which they are immersed.
  • the temperature probe that serves as a reference (the one that measures the temperature of the fluid) can itself get dirty, which introduces an additional drift relative to the other temperature probe.
  • the method used in the aforementioned document requires any lack of variation in the temperature of the fluid in which are plunged the two separate temperature measuring elements. This greatly reduces the scope of application since most industrial processes and / or water treatment processes constantly alter and disrupt the average temperature of the medium.
  • the method used by imposing initial conditions, requires both a post-processing of the recorded information and a systematic verification of the conditions before any use. This makes this method unusable for continuous applications or for long-term operation (24 hours a day). At best, access to the temperature difference (thermal drift) is observable over the envisaged and programmed measurement period. The disadvantages just mentioned can thus lead to erroneous measurements of the fouling and therefore to a lack of reliability of the method used. In addition, due to the operating mode and constituent elements of the physical device the number of possible applications is limited.
  • the subject of the present invention is therefore a micro-sensor for measuring or detecting fouling, which can be produced according to microelectronics manufacturing technologies (eg microsystems technologies). More particularly, the subject of the invention is a sensor for measuring and / or detecting a fouling forming directly or indirectly on a so-called front face of the sensor, characterized in that it comprises in the form of a plurality of superimposed layers:
  • At least one heating element which is capable of diffusing, on command, a homogeneous controlled thermal flux whose thermal power is substantially less than 200 mW,
  • thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent dissipation of the heat flow of said opposite side
  • At least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flow diffused by the at least one heating element and which offers a temperature measurement accuracy better than 0.1 ° C. a substrate on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element.
  • a sensor whose heating element (s) generate a low thermal power for example less than or equal to 200 mW (preferably less than 100 mW, and for example between 1 and 50 mW) and whose temperature measuring element (s) placed in the homogeneous part of the heat flow (at the heart of the flow, that is to say as far as possible from the edges of the heating element or elements to overcome the edge effects) offer a high accuracy, for example better than 0.1 ° C (preferably better than 0.01 ° C, for example between 0.005 and 0.01 ° C) is particularly advantageous in that it is very sensitive, very reactive and very reliable.
  • microsystem sensor The characteristics of the components of this sensor set out above are related to the fact that this sensor has very small dimensions (microsystem sensor). It can for example be manufactured by manufacturing technologies used in microelectronics and consisting of producing the functional elements in the form of layers deposited one above the other on a substrate or on both sides of the according to the desired arrangement.
  • MEMS collective microelectronic manufacturing technologies
  • the micro-sensor is more reactive to the heat flux diffused by the heating element (s) because the thermal losses are reduced;
  • the microsystem sensor has a greater sensitivity to the measurement of the thickness of a fouling layer (for example of the order of a few microns instead of a few hundred microns).
  • the heat flux diffused by the heating element (s) can be greatly reduced and is therefore very easily evacuated by the medium in which the sensor is placed.
  • the flow rate of the latter may be very low, or even zero, and the heat flux generated by the sensor will still be dissipated satisfactorily by the fluid.
  • Other manufacturing technologies can be used (screen printing, nanotechnology %) to manufacture a micro-sensor and obtain the same benefits or similar benefits.
  • the senor according to the invention is capable of determining in a particularly efficient way the fouling formed on the external face of the latter when it is placed in a fluid or in contact with a fluid.
  • determination of the fouling is meant the measurement of a fouling layer thickness formed on the sensor and / or the detection of a fouling layer being formed.
  • the temperature measurement is local and not global because of the small dimensions of the measuring element and the temperature measuring element measures the temperature of the place where it is located.
  • the sensor is thus faster and more sensitive than in the presence of the interface.
  • the heating element (s) dissipates a very low thermal power in order not to heat the fluid, nor to cause a rise in parietal temperature likely to cause the formation of fouling (scale ).
  • this low thermal power is naturally discharged into the fluid, which allows the sensor to be used in a stagnant environment or during the interruption of fluid flow.
  • the thermal power must be sufficiently significant so that the temperature measuring element can deliver a useful signal.
  • this sensor operates with one or several temperature measuring elements.
  • the senor according to the invention is able to provide measurements in continuous and in real time, whatever the evolutions of the conditions of the measuring medium (temperature of the uncontrolled fluid).
  • the senor is part of a system that comprises means for supplying energy to the functional elements of the sensor and means for processing the data provided by these elements.
  • the system further comprises, optionally, means for displaying the results (example: measurement curve of the measured temperature as a function of time, curve of thickness of fouling as a function of time, etc.) and / or means remote transmission of information relating to the quantitative data (temperature, thickness, ...) and / or qualitative data (presence or absence of fouling ).
  • the sensor according to the invention is part of a system which is intended to measure and / or to detect fouling formed or being formed inside a container containing a fluid.
  • Such container is, for example, a reactor or a conduit carrying a fluid. It will be noted that the measurement and / or the detection of the level of fouling are carried out continuously and almost in real time, whatever the evolutions of the conditions of the measuring medium (for example the temperature of the uncontrolled fluid).
  • the measurements are reliable over time.
  • said at least one temperature measuring element has a surface whose size is at least substantially less than 2% of that of the surface of said at least one heating element.
  • the surface ratio may even be less than 1%.
  • the size of the surface that counts in the heating element is that of the active zone (heating zone) and not the total size including that of the non-active zone (non-heating zone, for example peripheral zone).
  • the active surface of said at least one heating element has a size less than or equal to 25 mm 2 .
  • This size is relatively small compared to the heating elements used in sensors of the prior art.
  • the surface of said at least one temperature measuring element has a size less than or equal to 0.49 mm 2 .
  • this measuring element gives the latter particularly small dimensions which allow it to measure a local and non-global parietal temperature and offers the possibility to the sensor to be particularly reactive.
  • said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are made in the form of tracks or resistive lines.
  • These tracks or resistive lines are metal deposits made on a substrate or on a layer previously deposited on the substrate. These tracks are configured in a more or less complex form in order to obtain the desired physical characteristic (s) (for example obtaining a given heat flux as homogeneous as possible).
  • These tracks are for example arranged so as to form one or more coils disposed on the substrate or on the layer which may for example be arranged concentrically.
  • the thickness of the resistive tracks or lines can be adjusted in microsystem technology in order to obtain the desired properties, and, for example, for the heating element (s) to modify the heating power of the sensor.
  • the functional characteristics of the temperature measurement element or elements can be varied, such as, for example, the sensitivity and / or response dynamics.
  • the senor may comprise intermediate layers of electrical insulation between the different functional layers. This or these intermediate layers also smooth the surface of the layer to facilitate the subsequent deposition of an upper layer or contact with another element.
  • said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are, for example, each of the platinum resistors.
  • the heating elements and temperature measurement made as well are particularly effective.
  • the substrate has a first and a second opposite face, the thermal insulator being opposite the first face while the layer of said at least one heating element is opposite the second face. face, the layer of said at least one temperature measuring element being superimposed on the layer of said at least one heating element.
  • the substrate has a first and a second opposite face, the thermal insulator being opposite the first face, the layer of said at least one heating element being arranged between the thermal insulator and the first face of the substrate, the layer of said at least one temperature measuring element being disposed opposite the second face of the substrate.
  • the heating element layer and the temperature measuring element layer are arranged on either side of the substrate. This arrangement allows to separate said at least one temperature measuring element of said at least one heating element.
  • the substrate placed between these two functional layers and which is a thermal conductor has a thickness less than or equal to 300 microns.
  • the thickness of the substrate is chosen so that the temperature measuring element is closer to the fluid than to the heating element so that the wall temperature measured by the temperature measuring element is the same. more representative of the skin temperature and not too influenced by the heat flux generated by the heating element.
  • the invention provides for using the sensor briefly described above to measure or detect the fouling formed (or being formed) on the sensor that is installed in a wall of a container (for example an industrial pipe or a industrial reactor containing a fluid.
  • a container for example an industrial pipe or a industrial reactor containing a fluid.
  • the fouling is formed on the outer face of the sensor which is exposed to the fluid.
  • This outer face corresponds either to the outer face of said at least one interface element when the sensor is manufactured with such an element, the outer face of a separate interface material against which the sensor can be positioned.
  • the senor measures the local wall temperature and determines the temperature difference when a low electrical power is applied to the at least one heating element.
  • At least the outer face of the sensor is representative of the state of the surface of a wall of the container which is in contact with the fluid, for example by the nature of the material and / or by its roughness.
  • the surface state of the outer face of the interface element or of the interface material depends on the internal surface condition of the wall or walls of the container, which surface state depends on the intended applications.
  • the outer face of the sensor has an equivalent roughness (for example identical) to that of a wall of the container which is in contact with the fluid.
  • This adaptation makes it possible to refine the resemblance between the external face of the sensor and the wall of the container.
  • the interface element or the interface material may be made of stainless steel, for example of class 316L if the fluid is in a 316L stainless steel container or polyvinyl chloride (PVC) container if the fluid is in a PVC container.
  • the interface element is made of the same material as the wall of the container to ensure the representativeness of the surface condition of the wall and the fouling phenomenon.
  • a sensor or at least the interface element or the interface material of the sensor is thus dedicated to a given application and, at least, to a given situation.
  • the interface element of the sensor or its external face is not representative of the state of the surface of the walls of the container, the sensor can nevertheless be used to detect the fouling in a relative manner (for example in detecting growth and decay of deposits).
  • the interface element or the external surface of the sensor need not be similar to the wall of the container in this mode of operation where the signal delivered by the sensor is used as an indicator.
  • this additional interface material can be carried out separately from the sensor and in adequacy with the targeted application (s).
  • This additional interface material will be assembled on the sensor but later in the manufacturing phase of said sensor. This approach makes it possible to manufacture in large numbers the micro-sensors according to their elementary structure, namely comprising the heating element (s), the temperature measuring element (s) and the thermal insulation.
  • the presence of the interface material in contact with the fluid, flowing or not protects the sensor, at least mechanically, or even chemically, and makes it robust to external aggressions, in particular from the fluid.
  • the senor comprises at least one thermal conductive interface element having two opposite faces, one of the faces, so-called interior, being disposed against the temperature measuring element.
  • the other face, said external, is intended to be in contact with the fluid.
  • Such an interface element protects the temperature measuring element, as well as the rest of the sensor, and is chosen (material and thickness) to provide as low a thermal resistance as possible.
  • said at least one interface element has (between its two opposite faces) a thermal resistance of less than or equal to 10 ° C / W.
  • This characteristic of the interface element makes it possible to ensure that the heat flux generated will be well diffused up to the outer face and discharged by the fluid, without encountering a strong thermal resistance which could cause a harmful temperature rise to the temperature. correct operation of the sensor. In addition, this makes the sensor more responsive, more responsive and more reliable.
  • the thickness of the interface material is thus adapted as a function of the material itself, given the thermal resistance not to be exceeded.
  • the invention relates to a system for measuring or detecting a fouling formed directly or indirectly on a front face of a sensor which is exposed to a fluid, the sensor comprising in the form of superposed layers:
  • At least one heating element which is capable of diffusing, on command, a controlled homogeneous heat flow
  • thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent the dissipation of the heat flow of said opposite side; at least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flux diffused by the at least one heating element ,
  • the system comprising: means for determining a difference in temperature between, on the one hand, the parietal temperature measured by said at least one measuring element of temperature when said at least one heating element diffuses a heat flow and, on the other hand, the temperature of the fluid,
  • said at least one heating element generates a thermal power of less than 200 mW and said at least one temperature measuring element provides better measurement accuracy than 0.1 ° C.
  • the invention also relates to a method for measuring and / or detecting fouling formed on the front face of a sensor which is exposed to a fluid when it is installed in a wall of a container containing the fluid. fluid, the sensor comprising sus the form of superimposed layers:
  • At least one heating element which is capable of diffusing, on command, a controlled homogeneous heat flow, a thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent the dissipation of the heat flux of said opposite side,
  • At least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flux diffused by said at least one heating element
  • a substrate on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element.
  • the subject of the invention is also a method which comprises the following steps:
  • the invention more particularly relates to a method in which the determination of a temperature difference comprises the following steps: alternation of control phases of the diffusion of a thermal power by said at least one heating element and non-diffusion of a thermal power,
  • the measurement or detection of fouling is performed by determining the temperature difference provided by the parietal temperature measuring element when said at least one heating element generates a heat flow and when it does not generate it.
  • the sensor that is particularly sensitive and responsive measures the temperature of the fluid.
  • the temperature difference is less than 0.1 ° C, while it can reach 2 to 3 ° C in the presence of a heavy fouling.
  • the step of controlling the diffusion of a heat flux by said at least one heating element comprises a step of generating a power modulation signal of said at least one heating element.
  • the signal is alternating and for example is stationary.
  • the stationary alternating signal is in slots.
  • said at least one temperature measuring element provides a measurement accuracy of the temperature which is better or equal to 1% of the maximum temperature difference determined between the non-fouled state and the fouled condition of the sensor. .
  • the measurement accuracy of said at least one temperature measuring element is on the order of 0.01 to 0.02 ° C. It should be noted that, according to the invention, the use of a temperature measuring element or of several very precise temperature measurement elements make it possible to use one or more heating elements generating a very low thermal power, whereas elements Uncertain temperature measurement would not allow the use of such a low thermal power.
  • FIG. 1a is a general schematic view of a sensor according to a first embodiment of the invention and associated means for its implementation;
  • FIG. 1b is a general schematic view of a sensor according to a second embodiment
  • FIGS. 2a to 2f schematically illustrate the manufacturing steps of the sensor according to the first embodiment
  • FIGS. 2a to 2c and 2g to 2i schematically illustrate the manufacturing steps of the sensor according to the second embodiment; - Figures 3 and 4 schematically illustrate respectively two embodiments of the heating element layer;
  • FIG. 5a schematically illustrates the superposition of a temperature measuring element layer and the heating element layer of Figure 4
  • FIG. 5b illustrates the superposition of a layer comprising two temperature measuring elements and the heating element layer of FIG. 4
  • Figures 6 and 7 schematically illustrate respectively two embodiments of the temperature measuring element layer
  • - Figure 8 is a schematic view showing the implantation of a sensor according to the invention in a body mounted on a wall of a container;
  • FIG. 9 is a schematic view showing the implantation of a sensor according to the invention in a wall of a container;
  • Figures 10 and 11 illustrate the temperature measurements taken by a sensor according to the invention, respectively in the presence and in the absence of fouling in relation to a supply signal S;
  • FIG. 12 schematically illustrates the evolution of a fouling curve during the time formed on the sensor shown in FIGS. 2f and 9.
  • the object of the present invention is to propose, particularly by means of the collective manufacturing processes of microelectronics in general, and by the microsystems technology manufacturing processes in particular, a small sensor capable of determining a fouling in a fluid in flow or at rest.
  • a miniaturized sensor according to the invention may alternatively be manufactured according to other techniques such as screen printing.
  • a sensor 10 made using microsystem manufacturing technologies according to a first embodiment of the invention comprises several functional elements assembled with each other on a substrate 12 having two opposite faces 12a, 12b , namely: at least one heating element 14 made in the form of a layer deposited on the face 12b of the substrate 12 and diffusing, on command, a controlled homogeneous heat flow,
  • the at least one temperature measuring element 16 made in the form of a layer deposited on the layer 14 and which is arranged so as to be in the most homogeneous part of the dissipated heat flow (when the element 16 is unique there is is in the center of the active zone of the heating element or elements), a thermal insulator 11 in contact with the face 12a of the substrate (the insulator is, for example, a Teflon block of 400 ⁇ m thickness and 0.25 W / mK of thermal conductivity),
  • At least one thermal conductive interface element 18 made in the form of a layer deposited on the layer 16 and which protects the sensor vis-à-vis external aggressions.
  • the senor is thus produced in the form of a plurality of superposed heterogeneous layers.
  • the temperature measuring element 16 is for example in a surface ratio with the heating element 14 (more precisely with the active zone of the heating element) less than 2%, that is to say that the size of the element 16 is at least 50 times smaller than that of the element 14.
  • Figure 1a does not show the functional elements within the layers for reasons of scale and readability.
  • the temperature measuring element is characterized by a high measuring accuracy better than 0.1 ° C, more particularly between 0.005 and 0.01 ° C, which allows it to cooperate with one or more heating elements generating a low power.
  • the thermal power generated is between 1 and 50 mW. This power is, on the one hand, sufficient for the highly sensitive measuring element 16 to measure a temperature and, on the other hand, sufficiently low so as not to influence the measurement medium (fluid).
  • the low power value and high measuring accuracy allow the sensor to be very sensitive, highly reactive and very reliable in measuring and / or detecting fouling, without being disturbed by the measuring conditions in general and by the circulation of the fluid in particular.
  • the layer of said at least one heating element 14 which is powered by electrical power supply means 20 (example: current or voltage generator capable of supplying electrical power on control), via connection means 22, diffuses a homogeneous and controlled heat flow illustrated by the vertical arrow in the figure.
  • electrical power supply means 20 example: current or voltage generator capable of supplying electrical power on control
  • This flow is dissipated towards the front face of the sensor (face which is intended to be in direct or indirect contact with the fluid and which is either the free face of the layer 18 or the free face of the layer 16) opposite to the rear face the sensor where the thermal insulation is located because of the presence of this insulation.
  • the dissipation of the flux is prevented on the rear face of the sensor by the thermal insulation.
  • the layer of said at least one interface element 18 When the layer of said at least one interface element 18 is present, it transmits the thermal flux towards the outside of the sensor, towards the fluid medium in which it is placed and dissipates this heat.
  • the data (for example parietal temperature measured by element 16 and induced power in element 14) are collected by unit 26.
  • This unit 26 samples and translates in physical quantities (temperature, %) the measurements and information from the sensor, as well as the power generated. It will be noted that the fouling determination system formed by the sensor and in particular elements 20 and 26 comprises means
  • unit 26 for determining a temperature difference between the temperatures measured by the measuring element and calculation means (unit 26) of the thickness of the fouling formed on the sensor surface from this difference of temperature thus determined and physical formulas of known sensor geometry.
  • the determination means measure a temperature difference between, on the one hand, the wall temperature measured by the temperature measuring element when the heating element dissipates a heat flow and, on the other hand, the temperature of the fluid.
  • the system further comprises, optionally, a display 28 and / or means 30 for transmitting information to distance.
  • the display 28 makes it possible, for example, to continuously display the temperature (measured) and fouling (calculated) values as will be seen below, for example in the form of curves representing the time evolution of the temperature and / or the fouling thickness.
  • the means 28 (example: transmitter) make it possible to remotely send the data measured and / or processed by the unit 26 and / or alerting information and / or other information relating to the sensor and / or its state of being. operation.
  • FIG. 1b illustrates a sensor 10 made using, for example, microsystem manufacturing technologies according to a second embodiment of the invention.
  • the arrangement of the sensor of FIG. 1b is different from that of FIG. 1a insofar as the heating element 14 and the temperature measuring element 16 are arranged, not on the same side of the substrate 12, but on both sides of it.
  • the temperature measuring element 16 is disposed facing the face 12b of the substrate and for example in contact with it (although one or more intermediate layers may be arranged between these two elements) and the heating element 14 is disposed between the face 12a of the substrate and the thermal insulator 11.
  • the two functional elements 14 and 16 of the sensor are spaced from each other by a distance corresponding substantially to the thickness of the substrate 12.
  • This thickness can be of the order of several hundred microns and by example of 300 microns.
  • This arrangement makes it possible to reduce the direct influence of the heating element on the temperature measuring element in order to improve the performance of the sensor.
  • the one or more temperature measuring elements 16 will measure a wall temperature that is closer to that of the fluid than that of the heating element. The resulting measurement of fouling will therefore be more reliable. Moreover, the sensor is thus more sensitive.
  • the temperature measuring element is always in the homogeneous part of the heat flow generated by the heating element despite this spacing between the two elements.
  • Figures 2a to 2f illustrate a manufacturing method of the sensor of Figure 1a
  • Figures 2a to 2c and 2g to 2i illustrate a method of manufacturing the sensor of Figure 1b. Steps 2a to 2c are common to both methods and will now be described.
  • an electrically insulating layer 40 is first deposited on a reception substrate 42, for example made of silicon, of a given thickness (for example 300 ⁇ m).
  • a passivation layer 40 may be formed on the two opposite faces of the substrate (FIG. 2a).
  • This insulating layer 40 may be a monolayer of silicon oxide deposited thermally, or a monolayer of silicon nitride with a thickness of about one micron. It may be alternately composed of a bilayer which is generally composed of a first layer of silicon oxide on which a second layer of silicon nitride is deposited.
  • the thicknesses currently used are, for SiO2, 0.7 ⁇ m and 0.8 ⁇ m for silicon nitride.
  • a layer 14 consisting of one or more heating elements (only one heating element is shown in this embodiment) is formed by a metal deposit on one of the insulating layers 40 (for example, the upper layer).
  • the heating element 14 is configured to optimize and promote the creation of the heat flow.
  • the metal is deposited in the form of a or of several tracks or resistive lines of small width forming a more or less complex geometrical figure according to the physical characteristics sought (here, the thermal flux to be produced by the heating element), by covering one or more zones, or even almost all of the layer 40. These lines are similar to resistive metal tracks formed, for example, by screen printing on a printed circuit substrate. These lines are designed to form one or coils 40a (Fig.3) or concentric lines 40b (Fig.4).
  • the heating element consists of either a platinum-type metal monolayer (Pt) or a titanium / platinum-type (Ti / Pt) bilayer.
  • the first layer of titanium is a layer of hanging that allows the platinum layer to increase its adhesion. It also has the role of increasing, during a heating phase, its mechanical resistance which is caused by the variation of stress in this layer. The aim is to minimize the effects of delamination and thereby increase the service life of the heating element.
  • This heating element can also be made of doped silicon.
  • the heating element of FIGS. 3 and 4 comprises connecting tracks or pads which make it possible to supply this element with the necessary electrical energy coming from the device 20.
  • the heating element of FIG. electrical connection pads which are for example used for test or measurement purposes by implementing the known technique of the four points.
  • the dimensioning of the heating element is performed by determining the heat flow necessary to be able to detect a fouling on the surface of the sensor according to the intended application.
  • the injection of an electric current or a voltage into the heating resistor generates an overheating thereof.
  • a heat flux is then generated and varies according to the power injected into the heating element.
  • the value of its resistance to rest is calculated according to the power of the heat flow to be generated.
  • the power injected into the heating element is very low, for example of the order of 10 mW (which corresponds to a current of intensity of between 0.1 and 10mA), which is particularly advantageous.
  • the heating element is for example made in the form of platinum resistive tracks of 40 .mu.m width and 2 .mu.m thickness and whose electrical resistance is 3.2 k ⁇ at 20 ° C.
  • the size of the active surface of the heating element is for example 25 mm 2 (corresponding to a square of 5 mm side).
  • the thermal power generated by such an element is between 5 and 50 mW and more particularly between 5 and 10 mW.
  • the power density is between 0.2 and 2 mW / mm2.
  • An electrically insulating layer 44 is deposited on the layer of the heating element 14 (FIG. 2c).
  • This dielectric layer for example made of silicon nitride, is deposited according to the deposition technique known as PECVD.
  • PECVD the deposition technique
  • the first role of this layer is to eliminate any risk of short circuit between the heating element 14 and the next layer to be deposited (measuring element), during the operation to be described later.
  • the second role of this layer is to planify the topography generated by the presence of the heating element to facilitate the deposition of the measuring element.
  • Steps 2d and 2f of the manufacturing method of the sensor of Figure 1a will now be described.
  • a layer 16 comprising one or more temperature measuring elements is deposited on the insulating layer 44 previously described. (Fig.2d).
  • This layer is configured to optimize the variation of its resistive characteristics as a function of temperature.
  • the distribution of a heat flow during a heating phase of a heating element is homogeneous in the center of it and becomes discontinuous when one moves away from its center. Therefore the temperature measuring element is deposited above the heating element 14, made for example according to the configuration 40b of FIG. 4, on the dielectric layer 44.
  • the measuring element 16 is arranged centrally on the heating element and it is much smaller than that of said heating element to be placed in the most homogeneous flow part of the heart of that of the heat flow, thus avoiding the disturbances caused by edge effects.
  • Figure 5a shows the centered and superimposed position of a temperature measuring element 16 above a heating element.
  • thermometers 16a and 16b are arranged in the central part of the heating element to be at the heart of the homogeneous flow and known but spaced from each other to be able to determine the fouling in two distinct places. of the sensor surface. More than two elements can be used according to needs and applications.
  • the geometry retained to create this measuring element is known to those skilled in the art.
  • One or more resistive metal lines arranged in the form of coils (FIG. 6) or concentric lines (FIG. 7) may be used in the same manner as described above for the heating element with reference to FIGS.
  • the temperature measuring element or elements consist of either a monolayer of metal, for example platinum or a Ti / Pt type bilayer.
  • the first layer of Titanium is the layer of hooked.
  • the temperature measuring element 16 is thus for example made in the form of platinum resistive tracks of 20 .mu.m width and 2 .mu.m thickness and whose electrical resistance is 3 k ⁇ at 20 ° C.
  • the precision for example measuring 0.005 ° C with a suitable electronics (having for example a precision of 20 bits).
  • the size of the surface of the temperature measuring element is, for example, 0.49 mm 2 (which corresponds to a square of 700 ⁇ m on the side). It will be noted that the measuring element of FIGS. 5a and 5b, 6 and 7 comprises connecting tracks or pads which make it possible to supply this element with the necessary electrical energy coming from the device 20 and to collect, at the level of the unit 26, the temperature data.
  • the measuring element such as that of FIG. 7 can be implemented using, for example, the well-known technique of the two tips which makes it possible, knowing the voltage and the electrical intensity, to deduce therefrom in a direct way the value of resistance.
  • This measurement is used when the measurement noise or associated measurement is not too high and it is the one used in the assembly of Figures 5a and 5b.
  • the measuring element such as that of Figure 6 can be implemented using for example the well known technique of the four points.
  • this indirect measurement technique the value of the voltage imposed on the terminals is known, the value of the intensity is measured and the value of the resistance is deduced therefrom.
  • An insulating layer 46 is deposited on the layer of the temperature measuring element (FIG. 2e). This electrically insulating layer is deposited on the measuring element. The first role of this layer is to eliminate any risk of short circuit between the measuring element and the next layer to be deposited (interface element (s)), during the operation to be described later.
  • the second role of this layer is to flatten the topography of the microsystem during manufacture.
  • the deposition of a dielectric layer according to the known technique known as PECVD makes it possible to limit excessive profile variations.
  • the thickness of this layer must, as explained above, be of sufficient thickness to, on the one hand, eliminate any risk of a short circuit between the measuring element and the interface layer when it is present and, on the other hand, significantly reduce the reliefs produced by the topography generated by the presence of the measuring element and thus offer as flat a surface as possible.
  • a protective layer 18 formed of at least one interface element is deposited on the insulating layer 46 (FIG. 2f) by techniques well known to those skilled in the art (eg PEVCD).
  • This layer may consist, for example, of a metal layer or a dielectric layer.
  • FIG. 2g corresponds to the step of applying or depositing a layer 16 comprising one or more temperature measuring elements on the insulating layer 40 situated under the substrate 42 of FIG. 2c.
  • FIG. 2g reverses the arrangement of FIG. 2c and the heating element 14 is found at the bottom, under the substrate 42.
  • the step of depositing the element or the elements for measuring the temperature 16 is identical to what has been described with reference to FIG. 2d, except that the temperature measuring element or elements are thus arranged on the side of the substrate which is opposed to the side on which the heating element is arranged.
  • the step illustrated in Figure 2h corresponds to the application or deposition of an insulating layer 46 identical to that described in relation to Figure 2e previously described.
  • an optional protective layer 18 acting as an interface element is deposited on the insulating layer 46, above the temperature measuring element or elements 16.
  • FIG. 8 illustrates an exemplary embodiment in which the microsystem sensor 10 according to the invention is associated with a wall 50 of a container 52 (for example a chemical reactor or a vessel) in which a fluid, here stagnant, symbolized by the reference F is present.
  • a container 52 for example a chemical reactor or a vessel
  • a fluid here stagnant, symbolized by the reference F is present.
  • the container 52 containing the fluid may be of another type such as a pipe or pipe of an industrial plant, .... It will also be noted that the fluid present in the container is not necessarily at rest but may be in flow.
  • the microsystem sensor 10 as shown schematically in FIG. 1a or 1b, is mounted in one of the walls of the container as shown in FIG. 8 via a body 54 in which the microsystem 10 is integrated. .
  • the senor 10 is arranged in a hollow cylindrical envelope 56 provided at one of its longitudinal ends 56a of a plate 58 forming a shoulder and which has for example a disc or pellet shape.
  • This plate is for example welded to the cylindrical casing 56. It will be noted that other body shapes can be envisaged without calling into question the operation of the sensor.
  • the plate 58 forming the shoulder is intended to be inserted in a corresponding arrangement provided in the wall 50 of the container to be mounted flush with respect thereto.
  • the plate 58 forming a shoulder may also be assembled on a cylinder which is to be inserted into the wall 50 of the container having a hole (or stitching point) already existing and provided for this purpose.
  • This plate 58 is thinned in its central part, where the sensor is positioned, and is a material or interface element which is in contact with the fluid F by its outer face 58a.
  • the face 58a and the surface 50a can be arranged on the same side in order not to introduce a disturbance in the flow.
  • the interface element 18 of the sensor of FIGS. 1a and 1b is not present, the plate 58 acting as an interface element.
  • a heat-transmitting element 60 such as a thermal paste with a high coefficient of thermal conductivity, can be used and placed in contact with the microsystem. More particularly, this element 60 is disposed on the active zone of the microsystem consisting of almost all of its outer face except for a small peripheral zone (the sensitive elements of the microsystem being rather centrally arranged). This assembly is then placed against the rear or internal face 58b of the interface material 58.
  • the microsystem sensor 10 is mounted on a support 62 such as a printed circuit board whose role is to create the necessary electrical contacts between this microsystem sensor and the part of the associated system which ensures power supply and information processing of this sensor. These electrical contacts cooperate with the tracks or pads shown in Figures 3 to 7 and briefly described above.
  • This part of the measuring system has been represented in FIGS. 1a and 1b by elements 20, 26, 28 and 30 connected to the sensor via connections 22 and 24.
  • an element of Additional thermal insulation 64 is introduced into the body 54 through the rear end 56b.
  • This element 64 such as a paste with a low coefficient of thermal conductivity, is arranged against the rear face of the support 62 in order to form an additional heat shield at the rear of the body and thus favor the dissipation of the heat flow towards the before said body. It will be noted, however, that the thermal insulation 11 of FIGS. 1a and 1b already provides a satisfactory barrier function to the heat flux on the rear face of the sensor.
  • thermal insulation is also provided between the plate 58 and the cylindrical envelope 56 of the body 54.
  • the role of this thermal insulation is to eliminate any risk of thermal bridge between the interface material 58 and the casing 56 during a heating phase.
  • the plate 58 acting as an interface material with the fluid is adapted at least so that its outer face 58a is representative of the surface state of the wall 50 of the container so that the deposition of a fouling layer on the face 58a is made almost identical to the deposition of a fouling layer on the inner face 50a of the wall of the container.
  • the determination of fouling formed on the face 58a determination which corresponds to either a fouling measurement or to a fouling detection, will be particularly reliable given the nature of this external face and also given the micro sensor which is particularly sensitive and generates very few disturbances likely to modify the phenomenon of fouling.
  • the outer face 58a is representative of the surface state of the wall of the container, it is preferable that this face has a roughness equivalent to that of the wall, or identical.
  • the wall 50 may be made of stainless steel, for example class 316L, and the face 58a of the sensor may be made to have a roughness of equal or less surface area at 0.8 ⁇ m, just like that of the face 50a of the wall.
  • the outer face 58a is made of a material of the same nature as that of the wall of the container. If this material is not identical, it must at least be of a nature compatible with that of the material constituting the wall.
  • the simplest solution is that the interface material 58 is made of a material identical to that of the wall of the container.
  • the plate 58, as the cylindrical casing 56 are made of stainless steel, material that is the one used for the wall 50 and in particular its inner surface 50a.
  • the plate 58 is a thermal conductor which has a thermal resistance of less than or equal to 10 ° C / W in order to give the sensor good sensitivity and a high signal-to-noise ratio.
  • the material used and its thickness are thus chosen to offer the heat flow a very low thermal resistance.
  • the thickness is, for example, 300 ⁇ m.
  • the sensor according to the invention may comprise only one element for measuring temperature.
  • the temperature of the fluid, and more generally of the industrial process involving the container, is generally not known.
  • the method makes it possible to overcome any variations in this temperature over time.
  • the microsystem sensor according to the invention may comprise more than one temperature measuring element according to the applications envisaged. Similarly, it may also include several heating elements in cooperation with a single temperature measuring element or with several of these elements.
  • FIG. 9 schematically illustrates the direct installation of a microsystem sensor such as that of FIGS. 1a, 1b, 2f and 2i in a wall 50 of a container 52.
  • the senor 10 is in direct contact with the fluid F via the external face 18a of its interface element 18 instead of using the interface material 58 of FIG. 8.
  • the sensitivity of the sensor thus arranged is thus increased, thereby providing better results than in the case of FIG. 8.
  • the senor 10 is not quite flush mounted relative to the wall but is very slightly recessed relative thereto. This withdrawal was intentionally exaggerated to illustrate it in the figures. In practice, it is for example a few hundred microns, for example
  • a seal 61 is provided at the periphery of the outer face of the sensor to seal the mounting.
  • This method makes it possible to measure and / or detect the fouling that forms on the outer face 58a of the interface material 58 of FIG. 8 or on the outer face 18a of the interface element 18 of FIG. 9.
  • Clogging is understood to mean any adherent deposit forming on the surface of the element under consideration from bodies that are in the fluid temporarily or permanently (fouling of organic nature, such as a biofilm, or inorganic, such as scaling). .
  • the method according to the invention makes it possible to measure and / or detect fouling on site, online and continuously, and almost in real time.
  • the method according to a first embodiment provides for alternating phases for controlling the diffusion of a heat flux by the heating element (s) 14 of the sensor and non-diffusion of a heat flux over a given period of time. Furthermore, the method provides during this time to continuously measure the surface temperature of the interface element in contact with the measuring medium by means of the temperature measuring element (or only the local temperature of the place where is positioned the temperature measuring element in the absence of interface element). For example, this alternation of heating and non-heating phases of the sensor can be performed throughout the course of an industrial process, or only during certain stages thereof.
  • the fouling measurement function makes it possible to know at any time the thickness of the fouling layer formed on the surface of the interface material or directly of the sensor and which reproduces in a very reliable manner, the fouling formed on the surface. inside the container in which the sensor is installed.
  • the senor when used to fulfill a detection function, it can be used to trigger an alarm signal in the event of detection of a formation fouling layer or exceeding a predetermined threshold.
  • the device 20 generates an electric power which is transmitted to the heating element, for example in the form of a power modulation signal which is, for example, of the alternative type.
  • This signal is preferably stationary, that is to say that it defines perfectly determined stable states during which either a given electrical power is supplied to the heating element, or no power is supplied to this element.
  • Figure 10 illustrates a stationary alternating signal in the form of slots.
  • FIG. 10 illustrates, on the one hand, in the lower part the crenellated power signal S which is applied to the element heating and, on the other hand, in the upper part, the temperature measured by the measuring element during each of the heating and non-heating phases.
  • the various temperature measurements show that they remain substantially constant (around a value Ti), which reflects a non-fouled condition of the sensor and therefore of the inner wall of the container.
  • the temperature T1 corresponds to the temperature of the fluid.
  • the heat flux produced by the heating element is transferred to the measuring element and the interface element, then diffused into the measuring medium and the temperature measured by the element. measurement remains substantially constant and equal to the temperature of the medium.
  • the heat flux generated by the heating element will cause a rise in temperature at the level of the interface element or interface material.
  • the fouling layer being formed acts as a thermal insulator (thermal barrier) which thus reduces the heat exchange with the measuring medium and thus the dissipation of the flow.
  • the difference in temperature between the temperature measured on the bearing (T 2 ) and the temperature measured in the absence of fouling (Ti) is representative of the fouling formed at the instant corresponding to the measurements made and, more particularly, of the the thickness of the fouling layer.
  • This thickness is obtained by formulas well known to those skilled in the art and which depend on the geometric configuration of the sensor, namely a planar geometry for the sensor 10 of FIG. 1. More generally, the thickness of the layer fouling is given by the following equation: or :
  • P denotes, in W, the electrical power supplied to the heating element and which corresponds substantially to the power generated by the heat flux
  • h denotes, in WIm 2 IK, the convective thermal transfer coefficient
  • D denotes, in m, the diameter of the heating element when it is of cylindrical shape or, in surface equivalence, the side of the heating element when it is square,
  • Ti and T 2 respectively denote, in K, the temperature measured in the non-heating and heating phase, ⁇ denotes, in W / m / K, the coefficient of thermal conductivity of the fouling layer which is deposited on the surface of the sensor, and, finally, e denotes, in m, the measured thickness of the fouling layer which is deposited on the surface of the sensor. Note that the greater the thickness of the deposit formed on the surface of the sensor increases, the higher the temperature rise will be important for a given power.
  • the method provides for imposing a power heating setpoint (example: 10 mW) by imposing an electric current whose intensity can vary from 0.1 to 10 mA, to determine the temperature difference that results (increase), then calculate the thickness of the fouling layer.
  • a power heating setpoint example: 10 mW
  • an electric current whose intensity can vary from 0.1 to 10 mA
  • the duration of the heating period varies from several seconds to several minutes, as shown in Figures 10 and 11 where the elapsed time is expressed in seconds.
  • the duration of the heating period is not necessarily equal to the duration of the non-heating but, for practical reasons of implementation of the invention, equal time periods of heating and non-heating will be preferred.
  • the duration of the heating and / or non-heating period may vary over time in order to adapt dynamically to the operating conditions of the industrial process, but in practice an optimum duration will be determined, set and maintained according to the application and the industrial process.
  • the temperature difference T2-T1 is determined using linear and / or nonlinear regression algorithms between two non-heating periods that frame a heating period.
  • an upper limit of power supply can be provided in the control phase, so that in case of non-fouling, the power required, to generate the desired temperature difference, does not exceed the physical limit of power of the electronic system.
  • Such information may for example give rise to the sending of an alarm signal to prevent an operator or maintenance personnel of the installation.
  • This detection function can of course be coupled to the fouling measurement function in order to also be able to give quantitative information on the thickness of the fouling layer thus formed.
  • the temperature measuring element has a very high sensitivity and temperature accuracy which is, for example, better than 0.05 ° C.
  • FIG. 12 represents a measurement curve of fouling thickness obtained by successively realizing, over time, deposits on the external active surface of a sensor according to the invention, and by using a polymer resin spray whose thermal conductivity is known.
  • the sensor used is that shown in Figures 2f and 9 with the arrangement of the heating and measuring elements of Figure 5a.
  • the heating element (layer 14) is formed of a Ti / Pt bilayer with 500 ⁇ thickness for the first layer and 2000 ⁇ for the second.
  • the insulation layer 44 is Si3N4.
  • the measuring element (layer 16) is formed of a Ti / Pt bilayer with 500 ⁇ thickness for the first layer and 3000 ⁇ for the second one.
  • Insulation layer 46 is Si3N4.
  • the interface element (layer 18) is formed of a Ti / Au bilayer with 500 ⁇ thickness for the first layer and 1000 ⁇ for the second.
  • the experimental procedure consists in carrying out a first series of measurements with the sensor without any deposit on its surface (calibration phase).
  • a first polymer resin deposit is made on the surface of the sensor layer 18, annealing at 100 ° C for 60s is performed to solidify the resin and a series of thickness measurements are made with the sensor connected to its sensor. electronic measuring system. The first step of the curve is thus obtained.
  • the successive deposits do not follow a linear growth because of the successive anneals suffered by the layers formed in the previous step. It is found that the measured thicknesses are of the order of a few micrometers, which shows the high sensitivity of the sensor.
  • the sensors of the preceding embodiments can be used according to two methods of operation, the first of which has already been presented above and which will be repeated hereinafter more generally.
  • a first method (first embodiment of the method according to the invention) consists in using periodic time slots as shown in FIGS. 10 and 11 (typically from 30 s to several minutes) in order to carry out regular heating of the heating element. and rest periods.
  • the temperature being measured continuously and supplied by the unit 26, this temperature is the temperature of the fluid during the rest period (identified by T1 in FIGS. 10 and 11).
  • T1 the temperature of the fluid during the rest period
  • this measured temperature stabilizes at the value T2 which is the skin temperature (or parietal temperature) resulting from the heat transfer from the heating element to the measurement medium through the interface element (or directly when there is no interface element) and, potentially, through a fouling layer.
  • the parietal temperature in the heating phase is equal to the fluid temperature (to the measurement errors and according to the thermal resistance generated by the thickness of the interface element 18 when it is present) because the entire heat flux is dissipated in the measuring medium.
  • an additional thermal resistance comes to oppose the heat transfer to the measuring medium and the skin temperature (T2) takes a value greater than T1.
  • the fluid temperature (T1) and the skin temperature ⁇ 12) are known.
  • the formulas and equations presented above are applied to provide information to the display 28 (typically the fouling thickness and the fluid temperature) and / or to the transmitter 30 in order to deliver a signal standardized (typically 4-2OmA) to integrate with a supervision or signal recorder.
  • the fouling thickness forming on the surface of the measuring device (sensor) is continuously evaluated in order to deliver information to the user on the state of cleanliness.
  • This method does not require any preliminary calibration of the measuring device according to the conditions of use (flow rate or nature of the fluid), nor any subsequent treatment of the information to determine the fouling thickness.
  • variations in operating conditions to a certain extent, such as temperature, flow rate, pressure
  • the device regularly recalculates the temperature of the fluid.
  • the system can deliver a fouling thickness signal in units of ⁇ m or mm; otherwise, the system relies on a default value of thermal conduction of the fouling layer that can be formed and the measurement signal is ultimately an indicator according to an arbitrary unit.
  • the temperature does not vary, or does not vary when it is desired to carry out the measurements, in which case the temperature is known and can be known from the unit 26 (T1 is thus fixed),
  • the constant heating of the device makes it possible to obtain a more dynamic information of the fouling thickness, from the difference T2-T1, or a quasi-real-time information with regard to the kinetics of formation and disappearance by treatment of the fouling. (typically less than 0.5s).
  • this mode of operation makes it possible to follow rapid phenomena of growth or decay of fouling, such as the monitoring of cleaning phases in the food industry, for example. This is therefore useful for optimizing these cleaning phases (often long and always expensive) knowing that no current device (nor any global method) can follow in real time the effectiveness of these cleanings.

Abstract

The invention relates to a sensor (10; 34) for the measurement and/or detection of fouling occuring directly or indirectly on what is called a front face of the sensor, characterized in that it comprises, in the form of a plurality of superposed layers: at least one heating element (14) capable of diffusing, on command, a controlled uniform heat flux with a thermal power of less than 200 mW; a thermal insulator (11) placed on the opposite side from the front face of the sensor, in order to prevent dissipation of the heat flux on said opposite side; at least one temperature measurement element (16), which is placed in the uniform heat flux diffused by said at least one heating element and offers a temperature measurement precision better than 0.1°C; a substrate (12; 42) on which the layers of said at least one heating element and at least one temperature measurement element are attached.

Description

Micro-capteur réalisé en technologies microsystèmes pour la mesure et/ou la détection de l'encrassement Micro-sensor made in microsystems technologies for the measurement and / or detection of fouling
L'invention concerne un capteur et un système de mesure ou de détection de l'encrassement d'un réacteur ou d'une conduite contenant un fluide.The invention relates to a sensor and a system for measuring or detecting the fouling of a reactor or a pipe containing a fluid.
Sur les sites industriels, on trouve différents types d'installations dans lesquelles circulent des fluides de natures diverses.On industrial sites, there are different types of installations in which fluids of various natures circulate.
Ces installations comprennent des conduites dans lesquelles circulent des fluides et peuvent comprendre également des réacteurs comme par exemple des échangeurs thermiquesThese installations comprise pipes in which fluids circulate and may also comprise reactors such as, for example, heat exchangers.
Dans ce cas précis, l'encrassement de telles installations peut s'avérer préjudiciable dans la mesure où il est susceptible d'affecter les performances de l'installation (par exemple le rendement d'un processus industriel). En outre, lorsqu'un encrassement se forme sur la paroi interne d'une conduite ou d'un réacteur, il convient de procéder à son nettoyage au bon moment.In this case, the fouling of such installations can be detrimental to the extent that it is likely to affect the performance of the installation (for example the efficiency of an industrial process). In addition, when fouling is formed on the inner wall of a pipe or a reactor, it should be cleaned at the right time.
Il faut toutefois que cet encrassement soit décelable en continu par les opérateurs ou le personnel de maintenance de l'installation afin de pouvoir apprécier, dans le cadre d'une maintenance préventive, le meilleur moment pour réaliser les nettoyages.However, this fouling must be continuously detectable by the operators or the maintenance staff of the installation in order to be able to assess, as part of a preventive maintenance, the best time to carry out the cleanings.
En tout état de cause, les encrassements provoquent irrégulièrement l'arrêt de l'installation et ce, pendant une durée parfois indéterminée, ce qui pénalise fortement le déroulement du processus industriel. Ces interventions peuvent représenter des tâches pénibles pour le personnel, d'autant plus si l'encrassement n'a été détecté que tardivement et si son épaisseur est trop importante.In any case, the fouling irregularly cause the shutdown of the installation and this, for a sometimes indeterminate duration, which strongly penalizes the course of the industrial process. These interventions can be painful tasks for the staff, especially if the fouling has been detected only late and if its thickness is too great.
Ce désencrassement présente un coût économique non négligeable puisqu'il convient d'intégrer au coût des opérations de maintenance le coût induit par l'arrêt temporaire de l'exploitation.This de-clogging has a significant economic cost since it is appropriate to include in the cost of maintenance operations the cost of the temporary shutdown of the operation.
On notera également qu'au fur et à mesure que les échangeurs thermiques s'encrassent, il s'ensuit une perte d'efficacité progressive, avant un arrêt de fonctionnement potentiel de l'installation ou de la partie de l'installation comprenant ces échangeurs.It will also be noted that as the heat exchangers become fouled, there is a gradual loss of efficiency, before a potential shutdown of the installation or part of the installation including these exchangers.
Par ailleurs, dans les réseaux d'eau chaude sanitaire et dans les tours aéroréfrigérées industrielles ouvertes, des bactéries peuvent se développer à l'intérieur du réseau et du circuit de refroidissement.On the other hand, in domestic hot water systems and open industrial cooling towers, bacteria can develop inside the network and the cooling circuit.
De même, un risque de contamination par les légionelles est envisageable.Similarly, a risk of legionella contamination is possible.
Actuellement, il convient de procéder à un contrôle régulier des installations en prévoyant des points de piquage dans les conduites ou dans les réacteurs où circulent les fluides qui sont susceptibles de provoquer un encrassement.At present, it is advisable to carry out a regular control of the installations by foreseeing points of stitching in the pipes or in the reactors where circulate the fluids which are likely to cause a fouling.
Ces points de piquage permettent également de prélever des échantillons, puis de les analyser en laboratoire afin d'obtenir soit une mesure de l'encrassement soit une analyse du type d'encrassement formé (nature, composition...).These stitches also make it possible to take samples and then analyze them in the laboratory in order to obtain either a measurement of the fouling or an analysis of the type of fouling formed (nature, composition, etc.).
Sur certains sites industriels on utilise, pour mesurer l'épaisseur de la couche d'encrassement formée à l'intérieur des parois d'une conduite ou d'un réacteur, des méthodes faisant intervenir une mesure de la perte de charge qui se produit entre deux points espacés dans le sens de l'écoulement du fluide. On peut également utiliser des méthodes mesurant les différences de température entre ces points.At certain industrial sites, methods are used to measure the thickness of the fouling layer formed inside the walls of a pipe or a reactor using a measurement of the pressure drop that occurs between two points spaced in the direction of fluid flow. Methods that measure temperature differences between these points can also be used.
Ces dernières mesures présentent toutefois de réels inconvénients dans la mesure où :These last measures, however, present real disadvantages insofar as:
- elles ne permettent pas d'obtenir une information locale, - elles manquent de réactivité mais également de sensibilité et d'étendue de la gamme de mesure.- they do not make it possible to obtain local information, - they lack responsiveness but also sensitivity and scope of the measurement range.
On connaît d'après le document FR 2 885 694 une méthode de mesure de l'encrassement dans un réacteur ou une conduite qui utilise deux sondes de température. Plus particulièrement, ces deux sondes sont introduites dans une conduite respectivement grâce à deux points de piquage et l'une de ces sondes mesure la température du fluide, tandis que l'autre sonde mesure la température en paroi d'un générateur de chaleur.Document FR 2 885 694 discloses a method for measuring the fouling in a reactor or pipe that uses two temperature probes. More particularly, these two probes are introduced into a pipe respectively through two stitching points and one of these probes measures the temperature of the fluid, while the other probe measures the wall temperature of a heat generator.
Selon cette méthode, on s'arrange en premier lieu pour obtenir une différence de température entre la température de paroi et la température du fluide aussi proche de zéro que possible. Ensuite, le générateur de chaleur émet un flux thermique tandis que l'on mesure au cours du temps l'écart de température entre la température de paroi et celle du fluide, l'état d'encrassement du réacteur étant déterminé à partir de la mesure de cet écart de température.According to this method, the first step is to obtain a temperature difference between the wall temperature and the fluid temperature as close to zero as possible. Then, the heat generator emits a heat flux while the temperature difference between the wall temperature and that of the fluid is measured over time, the reactor fouling condition being determined from the measurement this temperature difference.
Cette méthode et le système associé présentent toutefois certains inconvénients limitant leur utilisation en milieu industriel.This method and the associated system, however, have certain disadvantages limiting their use in an industrial environment.
En particulier, la présence de deux points de piquage physique sur une conduite ou un réacteur représente toujours pour un industriel une contrainte d'installation assortie d'un coût non négligeable.In particular, the presence of two points of physical stitching on a pipe or a reactor always represents for a manufacturer a cost of installation with a significant cost.
En outre, deux sondes de température, même si elles sont du même type, présentent toujours une certaine dérive de fonctionnement l'une par rapport à l'autre en raison par exemple de dispersions qui interviennent lors de la fabrication.In addition, two temperature probes, even if they are of the same type, always have a certain operating drift relative to each other because of, for example, dispersions occurring during manufacture.
Du fait de ces dérives, les deux sondes n'ont pas le même comportement l'une par rapport à l'autre vis-à-vis d'une même température du milieu dans lequel elles sont plongées.Because of these drifts, the two probes do not have the same behavior relative to each other vis-à-vis the same temperature of the medium in which they are immersed.
De plus, la sonde de température qui sert de référence (celle qui mesure la température du fluide) peut elle-même s'encrasser, ce qui introduit une dérive supplémentaire par rapport à l'autre sonde de température.In addition, the temperature probe that serves as a reference (the one that measures the temperature of the fluid) can itself get dirty, which introduces an additional drift relative to the other temperature probe.
En raison, également, des différences de cinétique (ou dynamique) de réponses entre les deux sondes de température, on peut alors constater un écart de température entre les deux sondes alors que, théoriquement, un tel écart de température ne devrait pas se produire.Due also to differences in the kinetics (or dynamics) of responses between the two temperature probes, a temperature difference can be observed between the two probes when, theoretically, such a difference in temperature should not occur.
Ensuite, la méthode utilisée dans le document précité impose toute absence de variation de la température du fluide dans lequel sont plongés les deux éléments de mesure de température séparés. Or, cela réduit grandement le champ d'applications dans la mesure où la plupart des procédés industriels et/ou des procédés de traitement de l'eau modifient et perturbent sans cesse la température moyenne du milieu.Then, the method used in the aforementioned document requires any lack of variation in the temperature of the fluid in which are plunged the two separate temperature measuring elements. This greatly reduces the scope of application since most industrial processes and / or water treatment processes constantly alter and disrupt the average temperature of the medium.
Enfin, la méthode utilisée, en imposant des conditions initiales, nécessite à la fois un traitement a posteriori des informations enregistrées ainsi qu'une vérification systématique des conditions avant toute utilisation. Cela rend donc cette méthode inutilisable pour des applications en continu ou pour un fonctionnement à long terme (24h/24). Au mieux, l'accès à l'écart de température (dérive thermique) est observable sur la période de mesure envisagée et programmée. Les inconvénients qui viennent d'être cités peuvent ainsi conduire à des mesures erronées de l'encrassement et donc à un manque de fiabilité de la méthode utilisée. En outre, en raison du mode opératoire et des éléments constitutifs du dispositif physique le nombre d'applications possibles est restreint.Finally, the method used, by imposing initial conditions, requires both a post-processing of the recorded information and a systematic verification of the conditions before any use. This makes this method unusable for continuous applications or for long-term operation (24 hours a day). At best, access to the temperature difference (thermal drift) is observable over the envisaged and programmed measurement period. The disadvantages just mentioned can thus lead to erroneous measurements of the fouling and therefore to a lack of reliability of the method used. In addition, due to the operating mode and constituent elements of the physical device the number of possible applications is limited.
La Demanderesse s'est aperçue qu'il serait intéressant de pouvoir disposer d'un nouveau capteur de détermination d'encrassement de conception simplifiée et qui fournisse des mesures fiables dans le temps.The Applicant has found that it would be interesting to have a new sensor determination of fouling simplified design and provide reliable measurements over time.
La présente invention a ainsi pour objet un micro-capteur de mesure ou de détection d'encrassement, pouvant être réalisé selon les technologies de fabrication de la micro-électronique (ex : technologies microsystèmes). Plus particulièrement, l'invention a pour objet un capteur de mesure et/ou de détection d'un encrassement se formant directement ou indirectement sur une face dite avant du capteur, caractérisé en ce qu'il comprend sous la forme d'une pluralité de couches superposées :The subject of the present invention is therefore a micro-sensor for measuring or detecting fouling, which can be produced according to microelectronics manufacturing technologies (eg microsystems technologies). More particularly, the subject of the invention is a sensor for measuring and / or detecting a fouling forming directly or indirectly on a so-called front face of the sensor, characterized in that it comprises in the form of a plurality of superimposed layers:
- au moins un élément chauffant qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé dont la puissance thermique est sensiblement inférieure à 200 mW,at least one heating element which is capable of diffusing, on command, a homogeneous controlled thermal flux whose thermal power is substantially less than 200 mW,
- un isolant thermique disposé du côté opposé à la face avant du capteur pour empêcher la dissipation du flux thermique dudit côté opposé,a thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent dissipation of the heat flow of said opposite side,
- au moins un élément de mesure de température qui est placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant et qui offre une précision de mesure de température meilleure que 0,1 °C, - un substrat sur lequel sont rapportées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température.at least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flow diffused by the at least one heating element and which offers a temperature measurement accuracy better than 0.1 ° C. a substrate on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element.
Un capteur dont le ou les éléments chauffants génèrent une faible puissance thermique, par exemple inférieure ou égale à 200 mW (de préférence inférieure à 100 mW, et par exemple comprise entre 1 et 50 mW) et dont le ou les éléments de mesure de température placés dans la partie homogène du flux thermique (au cœur du flux, c'est-à-dire le plus loin possible des bords du ou des éléments chauffants pour s'affranchir des effets de bord) offrent une grande précision, par exemple meilleure que 0,1 °C (de préférence meilleure que 0,01 °C, et par exemple comprise entre 0,005 et 0,01 °C) est particulièrement avantageux dans la mesure où il est très sensible, très réactif et très fiable.A sensor whose heating element (s) generate a low thermal power, for example less than or equal to 200 mW (preferably less than 100 mW, and for example between 1 and 50 mW) and whose temperature measuring element (s) placed in the homogeneous part of the heat flow (at the heart of the flow, that is to say as far as possible from the edges of the heating element or elements to overcome the edge effects) offer a high accuracy, for example better than 0.1 ° C (preferably better than 0.01 ° C, for example between 0.005 and 0.01 ° C) is particularly advantageous in that it is very sensitive, very reactive and very reliable.
Les caractéristiques des éléments constitutifs de ce capteur énoncées ci-dessus sont liées au fait que ce capteur possède de très faibles dimensions (capteur microsystème). Il peut par exemple être fabriqué par des technologies de fabrication utilisées en micro-électronique et consistant à réaliser les éléments fonctionnels sous la forme de couches déposées l'une au dessus de l'autre sur un substrat ou de part et d'autre de celui-ci selon l'agencement souhaité. L'utilisation des technologies collectives de fabrication de la microélectronique (MEMS) permet de fabriquer, par exemple sur un disque de silicium ou « wafer », un grand nombre de capteurs, notamment de plusieurs centaines à plusieurs milliers. Ainsi, la reproductibilité est assurée, à la fois, entre deux séries de fabrication mais également au sein d'une même série de fabrication. Les capteurs ou composants obtenus sont ainsi identiques et possèdent les mêmes caractéristiques.The characteristics of the components of this sensor set out above are related to the fact that this sensor has very small dimensions (microsystem sensor). It can for example be manufactured by manufacturing technologies used in microelectronics and consisting of producing the functional elements in the form of layers deposited one above the other on a substrate or on both sides of the according to the desired arrangement. The use of collective microelectronic manufacturing technologies (MEMS) makes it possible to manufacture, for example on a silicon disk or "wafer", a large number of sensors, in particular from several hundred to several thousand. Thus, the reproducibility is ensured, both between two series of manufacture but also within the same series of manufacture. The sensors or components obtained are thus identical and have the same characteristics.
Les capteurs ainsi fabriqués en série sont donc plus fiables dans leur fonctionnement et moins onéreux à produire.The sensors thus produced in series are therefore more reliable in their operation and less expensive to produce.
En outre, dans un tel capteur comprenant plusieurs couches d'éléments fonctionnels, ces éléments se trouvent particulièrement proches les uns des autres et possèdent donc des dimensions réduites de l'ordre du micromètre. De ce fait, la consommation énergétique des éléments pris séparément et du capteur dans son ensemble s'en trouve fortement réduite.In addition, in such a sensor comprising several layers of functional elements, these elements are particularly close to each other and therefore have reduced dimensions of the order of a micrometer. As a result, the energy consumption of the elements taken separately and the sensor as a whole is greatly reduced.
Par comparaison avec une structure de capteur reprenant les mêmes éléments fonctionnels mais qui ne serait pas réalisée en technologies microsystèmes :By comparison with a sensor structure with the same functional elements but which would not be realized in microsystems technologies:
- le micro-capteur est plus réactif au flux thermique diffusé par le ou les éléments chauffants car les pertes thermiques sont réduites ;the micro-sensor is more reactive to the heat flux diffused by the heating element (s) because the thermal losses are reduced;
- le ou les éléments de mesure sont bien plus sensibles dans le capteur miniaturisé (par exemple cent fois plus sensibles) ; - le capteur microsystème présente une plus grande sensibilité à la mesure de l'épaisseur d'une couche d'encrassement (par exemple de l'ordre de quelques μm au lieu de quelques centaines de μm).the measurement element or elements are much more sensitive in the miniaturized sensor (for example a hundred times more sensitive); - The microsystem sensor has a greater sensitivity to the measurement of the thickness of a fouling layer (for example of the order of a few microns instead of a few hundred microns).
Par ailleurs, dans la mesure où le capteur est très sensible, le flux thermique diffusé par le ou les éléments chauffants peut être fortement réduit et il est donc évacué très facilement par le milieu dans lequel est placé le capteur.Moreover, insofar as the sensor is very sensitive, the heat flux diffused by the heating element (s) can be greatly reduced and is therefore very easily evacuated by the medium in which the sensor is placed.
Ainsi, lorsque le capteur est placé dans un fluide ou au contact d'un fluide, le débit de ce dernier peut être très faible, voire nul, et le flux thermique généré par le capteur sera malgré tout dissipé de façon satisfaisante par le fluide. D'autres technologies de fabrication peuvent être utilisées (sérigraphie, nanotechnologies...) pour fabriquer un micro-capteur et obtenir les mêmes avantages ou des avantages similaires.Thus, when the sensor is placed in a fluid or in contact with a fluid, the flow rate of the latter may be very low, or even zero, and the heat flux generated by the sensor will still be dissipated satisfactorily by the fluid. Other manufacturing technologies can be used (screen printing, nanotechnology ...) to manufacture a micro-sensor and obtain the same benefits or similar benefits.
On notera que le capteur selon l'invention est capable de déterminer de façon particulièrement efficace l'encrassement formé sur la face extérieure de ce dernier lorsqu'elle est placée dans un fluide ou en contact avec un fluide. Par « détermination » de l'encrassement, on entend la mesure d'une épaisseur de couche d'encrassement formée sur le capteur et/ou la détection d'une couche d'encrassement en cours de formation.It will be noted that the sensor according to the invention is capable of determining in a particularly efficient way the fouling formed on the external face of the latter when it is placed in a fluid or in contact with a fluid. By "determination" of the fouling is meant the measurement of a fouling layer thickness formed on the sensor and / or the detection of a fouling layer being formed.
La mesure de température est locale et non globale en raison des faibles dimensions de l'élément de mesure et l'élément de mesure de température mesure la température de l'endroit où il se trouve.The temperature measurement is local and not global because of the small dimensions of the measuring element and the temperature measuring element measures the temperature of the place where it is located.
On notera qu'un tel capteur offre une plus grande réactivité lorsque l'élément de mesure de température est directement au contact du fluide puisqu'il n'y a pas de résistance thermique due à l'interface entre l'élément de mesure de température et le fluide.It will be noted that such a sensor offers greater reactivity when the temperature measuring element is directly in contact with the fluid since there is no thermal resistance due to the interface between the temperature measuring element and the fluid.
Le capteur est ainsi plus rapide et plus sensible qu'en présence de l'interface. En outre, le ou les éléments chauffants dissipent une puissance thermique très faible afin de ne pas chauffer le fluide, ni de provoquer une élévation de température pariétale susceptible d'engendrer la formation d'encrassement (tartre...).The sensor is thus faster and more sensitive than in the presence of the interface. In addition, the heating element (s) dissipates a very low thermal power in order not to heat the fluid, nor to cause a rise in parietal temperature likely to cause the formation of fouling (scale ...).
Ainsi, on mesure des phénomènes d'encrassement se produisant de façon naturelle et non provoquée par le dispositif de mesure.Thus, fouling phenomena occurring naturally and not caused by the measuring device are measured.
Par ailleurs, cette faible puissance thermique est donc naturellement évacuée dans le fluide, ce qui permet au capteur d'être utilisé en milieu stagnant ou lors de l'interruption de la circulation du fluide.Moreover, this low thermal power is naturally discharged into the fluid, which allows the sensor to be used in a stagnant environment or during the interruption of fluid flow.
Toutefois, la puissance thermique doit être suffisamment significative afin que l'élément de mesure de température puisse délivrer un signal utile.However, the thermal power must be sufficiently significant so that the temperature measuring element can deliver a useful signal.
On notera que ce capteur fonctionne avec un seul ou avec plusieurs éléments de mesure de température.It will be noted that this sensor operates with one or several temperature measuring elements.
Par ailleurs, le capteur selon l'invention est apte à fournir des mesures en continu et en temps réel, quelles que soient les évolutions des conditions du milieu de mesure (température du fluide non maîtrisée).Furthermore, the sensor according to the invention is able to provide measurements in continuous and in real time, whatever the evolutions of the conditions of the measuring medium (temperature of the uncontrolled fluid).
Pour réaliser la fonction de mesure et/ou de détection, le capteur fait partie d'un système qui comprend des moyens de fourniture d'énergie aux éléments fonctionnels du capteur et des moyens de traitement des données fournies par ces éléments. Le système comprend, en outre, éventuellement des moyens d'affichage des résultats (exemple : courbe de mesure de la température mesurée en fonction du temps, courbe d'épaisseur d'encrassement en fonction du temps...) et/ou des moyens de transmission à distance d'informations relatives aux données quantitatives (température, épaisseur, ...) et/ou qualitatives (présence ou absence d'encrassement...). Selon une caractéristique, le capteur selon l'invention fait partie d'un système qui est destiné à mesurer et/ou à détecter l'encrassement formé ou en cours de formation à l'intérieur d'un contenant renfermant un fluide. Un tel contenant est, par exemple, un réacteur ou une conduite véhiculant un fluide. On notera que la mesure et/ou la détection du niveau d'encrassement sont effectuées de façon continue et quasiment en temps réel, quelles que soient les évolutions des conditions du milieu de mesure (par exemple température du fluide non maîtrisée).To carry out the measurement and / or detection function, the sensor is part of a system that comprises means for supplying energy to the functional elements of the sensor and means for processing the data provided by these elements. The system further comprises, optionally, means for displaying the results (example: measurement curve of the measured temperature as a function of time, curve of thickness of fouling as a function of time, etc.) and / or means remote transmission of information relating to the quantitative data (temperature, thickness, ...) and / or qualitative data (presence or absence of fouling ...). According to one characteristic, the sensor according to the invention is part of a system which is intended to measure and / or to detect fouling formed or being formed inside a container containing a fluid. Such container is, for example, a reactor or a conduit carrying a fluid. It will be noted that the measurement and / or the detection of the level of fouling are carried out continuously and almost in real time, whatever the evolutions of the conditions of the measuring medium (for example the temperature of the uncontrolled fluid).
Grâce au capteur selon l'invention les mesures sont fiables dans le temps.Thanks to the sensor according to the invention the measurements are reliable over time.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément de mesure de température possède une surface dont la taille est au moins sensiblement inférieure à 2 % de celle de la surface dudit au moins un élément chauffant.According to one characteristic, said at least one temperature measuring element has a surface whose size is at least substantially less than 2% of that of the surface of said at least one heating element.
Ce rapport de dimensions relatives garantit la fiabilité, la sensibilité et la réactivité du capteur. Le rapport surfacique peut même être inférieur à 1 %.This ratio of relative dimensions guarantees the reliability, the sensitivity and the reactivity of the sensor. The surface ratio may even be less than 1%.
On notera que la taille de la surface qui compte dans l'élément chauffant est celle de la zone active (zone de chauffe) et non la taille totale incluant celle de la zone non active (zone non chauffante, par exemple zone périphérique).It should be noted that the size of the surface that counts in the heating element is that of the active zone (heating zone) and not the total size including that of the non-active zone (non-heating zone, for example peripheral zone).
Selon une caractéristique, la surface active dudit au moins un élément chauffant a une taille inférieure ou égale à 25 mm2.According to one characteristic, the active surface of said at least one heating element has a size less than or equal to 25 mm 2 .
Cette taille est relativement réduite par rapport aux éléments chauffants utilisés dans des capteurs de l'art antérieur.This size is relatively small compared to the heating elements used in sensors of the prior art.
Selon une caractéristique, la surface dudit au moins un élément de mesure de température a une taille inférieure ou égale à 0,49 mm2.According to one characteristic, the surface of said at least one temperature measuring element has a size less than or equal to 0.49 mm 2 .
La taille de cet élément de mesure confère à celui-ci des dimensions particulièrement réduites qui lui permettent de mesurer une température pariétale locale et non globale et offre la possibilité au capteur d'être particulièrement réactif.The size of this measuring element gives the latter particularly small dimensions which allow it to measure a local and non-global parietal temperature and offers the possibility to the sensor to be particularly reactive.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température sont réalisés sous la forme de pistes ou lignes résistives. Ces pistes ou lignes résistives sont des dépôts métalliques effectués sur un substrat ou sur une couche préalablement déposée sur le substrat. Ces pistes sont configurées suivant une forme plus ou moins complexe afin d'obtenir la ou les caractéristiques physiques recherchées (par exemple l'obtention d'un flux thermique donné aussi homogène que possible).According to one characteristic, said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are made in the form of tracks or resistive lines. These tracks or resistive lines are metal deposits made on a substrate or on a layer previously deposited on the substrate. These tracks are configured in a more or less complex form in order to obtain the desired physical characteristic (s) (for example obtaining a given heat flux as homogeneous as possible).
Ces pistes sont par exemple agencées de façon à former un ou plusieurs serpentins disposés sur le substrat ou sur la couche qui peut par exemple être disposé de façon concentrique.These tracks are for example arranged so as to form one or more coils disposed on the substrate or on the layer which may for example be arranged concentrically.
Ces différents agencements permettent de réaliser un ou plusieurs éléments chauffants ou un ou plusieurs éléments de mesure de température en technologie microsystème en optimisant la surface disponible. On notera que l'épaisseur des pistes ou lignes résistives peut être ajustée en technologie microsystème afin d'obtenir les propriétés souhaitées, et, par exemple, pour le ou les éléments chauffants modifier la puissance de chauffe du capteur.These different arrangements make it possible to produce one or more heating elements or one or more temperature measuring elements in microsystem technology by optimizing the available surface area. It should be noted that the thickness of the resistive tracks or lines can be adjusted in microsystem technology in order to obtain the desired properties, and, for example, for the heating element (s) to modify the heating power of the sensor.
De même, en modifiant l'épaisseur du dépôt métallique constitutif des pistes ou lignes résistives on peut faire varier les caractéristiques fonctionnelles du ou des éléments mesure de température comme, par exemple, la sensibilité et/ou la dynamique de réponse.Likewise, by modifying the thickness of the constituent metallic deposit of the resistive tracks or lines, the functional characteristics of the temperature measurement element or elements can be varied, such as, for example, the sensitivity and / or response dynamics.
On notera par ailleurs que le capteur peut comporter des couches intermédiaires d'isolation électrique entre les différentes couches fonctionnelles. Cette ou ces couches intermédiaires permettent également d'aplanir la surface de la couche en vue de faciliter le dépôt ultérieur d'une couche supérieure ou bien le contact avec un autre élément.It will be noted moreover that the sensor may comprise intermediate layers of electrical insulation between the different functional layers. This or these intermediate layers also smooth the surface of the layer to facilitate the subsequent deposition of an upper layer or contact with another element.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température sont, par exemple, chacun des résistances en platine.According to one characteristic, said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are, for example, each of the platinum resistors.
Les éléments chauffants et de mesure de température réalisés ainsi sont particulièrement performants.The heating elements and temperature measurement made as well are particularly effective.
Selon une caractéristique, le substrat possède une première et une deuxième faces opposées, l'isolant thermique étant en vis-à-vis de la première face tandis que la couche dudit au moins un élément chauffant est en vis-à-vis de la deuxième face, la couche dudit au moins un élément de mesure de température étant superposée à la couche dudit au moins un élément chauffant. Cet agencement permet ainsi d'obtenir un capteur dont les couches fonctionnelles d'élément chauffant et d'élément de mesure de température sont disposées du même côté du substrat, l'une au-dessus de l'autre.According to one characteristic, the substrate has a first and a second opposite face, the thermal insulator being opposite the first face while the layer of said at least one heating element is opposite the second face. face, the layer of said at least one temperature measuring element being superimposed on the layer of said at least one heating element. This arrangement thus makes it possible to obtain a sensor whose heating element and temperature measuring element functional layers are arranged on the same side of the substrate, one above the other.
Selon une caractéristique alternative, le substrat possède une première et une deuxième faces opposées, l'isolant thermique étant en vis-à-vis de la première face, la couche dudit au moins un élément chauffant étant disposée entre l'isolant thermique et la première face du substrat, la couche dudit au moins un élément de mesure de température étant disposée en vis-à-vis de la deuxième face du substrat. Suivant cet agencement, la couche d'élément chauffant et la couche d'élément de mesure de température sont disposés de part et d'autre du substrat. Cet agencement permet d'écarter ledit au moins un élément de mesure de température dudit au moins un élément chauffant.According to an alternative characteristic, the substrate has a first and a second opposite face, the thermal insulator being opposite the first face, the layer of said at least one heating element being arranged between the thermal insulator and the first face of the substrate, the layer of said at least one temperature measuring element being disposed opposite the second face of the substrate. According to this arrangement, the heating element layer and the temperature measuring element layer are arranged on either side of the substrate. This arrangement allows to separate said at least one temperature measuring element of said at least one heating element.
Par exemple, le substrat placé entre ces deux couches fonctionnelles et qui est un conducteur thermique a une épaisseur inférieure ou égale à 300 μm. Selon une caractéristique, on choisit l'épaisseur du substrat de façon à ce que l'élément de mesure de température soit plus proche du fluide que de l'élément chauffant afin que la température pariétale mesurée par l'élément de mesure de température soit la plus représentative possible de la température de peau et ne soit pas trop influencée par le flux thermique généré par l'élément chauffant .For example, the substrate placed between these two functional layers and which is a thermal conductor has a thickness less than or equal to 300 microns. According to one characteristic, the thickness of the substrate is chosen so that the temperature measuring element is closer to the fluid than to the heating element so that the wall temperature measured by the temperature measuring element is the same. more representative of the skin temperature and not too influenced by the heat flux generated by the heating element.
Cet agencement est ainsi plus sensible et plus réactif que l'agencement précédent.This arrangement is thus more sensitive and more responsive than the previous arrangement.
L'invention prévoit d'utiliser le capteur brièvement exposé ci-dessus pour mesurer ou détecter l'encrassement formé (ou en cours de formation) sur le capteur qui est installé dans une paroi d'un contenant (par exemple une canalisation industrielle ou un réacteur industriel renfermant un fluide.The invention provides for using the sensor briefly described above to measure or detect the fouling formed (or being formed) on the sensor that is installed in a wall of a container (for example an industrial pipe or a industrial reactor containing a fluid.
Plus généralement, l'encrassement se forme sur la face extérieure du capteur qui est exposée au fluide. Cette face extérieure correspond soit à la face extérieure dudit au moins un élément d'interface lorsque le capteur est fabriqué avec un tel élément, soit la face externe d'un matériau d'interface séparé contre lequel le capteur peut être positionné.More generally, the fouling is formed on the outer face of the sensor which is exposed to the fluid. This outer face corresponds either to the outer face of said at least one interface element when the sensor is manufactured with such an element, the outer face of a separate interface material against which the sensor can be positioned.
Ainsi, le capteur mesure la température pariétale locale et détermine l'écart de température quand une faible puissance électrique est appliquée audit au moins un élément chauffant.Thus, the sensor measures the local wall temperature and determines the temperature difference when a low electrical power is applied to the at least one heating element.
A partir de cet écart de température on détermine en continu et en temps réel (aucune comparaison avec des mesures de référence préenregistrées n'est nécessaire) l'épaisseur de l'encrassement se formant de manière naturelleFrom this temperature difference is determined continuously and in real time (no comparison with pre-recorded reference measurements is necessary) the thickness of the fouling forming in a natural way
(c'est-à-dire non provoquée, par exemple par réchauffement dudit au moins un élément d'interface) sur la face extérieure du capteur.(That is to say, not provoked, for example by heating said at least one interface element) on the outer face of the sensor.
Selon une caractéristique, au moins la face externe du capteur est représentative de l'état de la surface d'une paroi du contenant qui est en contact avec le fluide, par exemple par la nature du matériau et/ou par sa rugosité. Ainsi, en adaptant cette face extérieure en fonction de l'environnement dans lequel va être placé le capteur, on s'assure que ce dernier va se comporter comme un élément faisant partie de cet environnement et non comme un corps étranger.According to one characteristic, at least the outer face of the sensor is representative of the state of the surface of a wall of the container which is in contact with the fluid, for example by the nature of the material and / or by its roughness. Thus, by adapting this outer face depending on the environment in which the sensor will be placed, it is ensured that the latter will behave as an element forming part of this environment and not as a foreign body.
En particulier, en reproduisant au moins sur la face extérieure de l'élément d'interface ou du matériau d'interface, l'état de surface de la paroi du contenant à laquelle le capteur va être associé, la formation d'un éventuel encrassement sur cette face externe sera très fortement représentative du phénomène d'encrassement sur la paroi du contenant.In particular, reproducing at least on the outer face of the interface element or the interface material, the surface state of the wall of the container to which the sensor will be associated, the formation of a possible fouling on this external face will be very strongly representative of the fouling phenomenon on the wall of the container.
Ainsi, l'état de surface de la face externe de l'élément d'interface ou du matériau d'interface dépend de l'état de surface interne de la paroi ou des parois du contenant, état de surface qui dépend des applications envisagées.Thus, the surface state of the outer face of the interface element or of the interface material depends on the internal surface condition of the wall or walls of the container, which surface state depends on the intended applications.
Selon une caractéristique, la face externe du capteur possède une rugosité équivalente (par exemple identique) à celle d'une paroi du contenant qui est en contact avec le fluide. Cette adaptation permet d'affiner la ressemblance entre la face externe du capteur et la paroi du contenant. A titre d'exemple, l'élément d'interface ou le matériau d'interface peut être en acier inoxydable par exemple de classe 316L si le fluide est dans un contenant en acier inoxydable 316L ou bien en polychlorure de vinyle (PVC) si le fluide est dans un contenant en PVC. De façon générale, l'élément d'interface est réalisé dans le même matériau que celui de la paroi du contenant pour s'assurer de la représentativité de l'état de surface de la paroi et du phénomène d'encrassement.According to one characteristic, the outer face of the sensor has an equivalent roughness (for example identical) to that of a wall of the container which is in contact with the fluid. This adaptation makes it possible to refine the resemblance between the external face of the sensor and the wall of the container. By way of example, the interface element or the interface material may be made of stainless steel, for example of class 316L if the fluid is in a 316L stainless steel container or polyvinyl chloride (PVC) container if the fluid is in a PVC container. In general, the interface element is made of the same material as the wall of the container to ensure the representativeness of the surface condition of the wall and the fouling phenomenon.
Un capteur ou au moins l'élément d'interface ou le matériau d'interface du capteur est ainsi dédié à une application donnée et, au moins, à une situation donnée.A sensor or at least the interface element or the interface material of the sensor is thus dedicated to a given application and, at least, to a given situation.
Toutefois, si l'élément d'interface du capteur ou sa face externe n'est pas représentatif de l'état de la surface des parois du contenant, le capteur peut néanmoins être utilisé pour détecter l'encrassement de manière relative (par exemple en détectant la croissance et la décroissance des dépôts). Ainsi, l'élément d'interface ou la face externe du capteur n'ont pas besoin d'être ressemblants avec la paroi du contenant dans ce mode de fonctionnement où le signal délivré par le capteur est utilisé comme un indicateur.However, if the interface element of the sensor or its external face is not representative of the state of the surface of the walls of the container, the sensor can nevertheless be used to detect the fouling in a relative manner (for example in detecting growth and decay of deposits). Thus, the interface element or the external surface of the sensor need not be similar to the wall of the container in this mode of operation where the signal delivered by the sensor is used as an indicator.
Dans le cas où l'on fait appel à un matériau d'interface séparé, la mise en œuvre de ce matériau d'interface supplémentaire peut être réalisée séparément du capteur et en adéquation avec la ou les applications visées. Ce matériau d'interface supplémentaire sera assemblé sur le capteur mais ultérieurement à la phase de fabrication dudit capteur. Cette approche permet de fabriquer en grand nombre les micro-capteurs selon leur structure élémentaire, à savoir comprenant le ou les éléments chauffants, le ou les éléments de mesure de température et l'isolant thermique.In the case where a separate interface material is used, the implementation of this additional interface material can be carried out separately from the sensor and in adequacy with the targeted application (s). This additional interface material will be assembled on the sensor but later in the manufacturing phase of said sensor. This approach makes it possible to manufacture in large numbers the micro-sensors according to their elementary structure, namely comprising the heating element (s), the temperature measuring element (s) and the thermal insulation.
En outre, la présence du matériau d'interface en contact avec le fluide, en écoulement ou non, protège le capteur, au moins mécaniquement, voire également chimiquement, et le rend robuste aux agressions extérieures, notamment venant du fluide.In addition, the presence of the interface material in contact with the fluid, flowing or not, protects the sensor, at least mechanically, or even chemically, and makes it robust to external aggressions, in particular from the fluid.
Selon une caractéristique, le capteur comporte au moins un élément d'interface conducteur thermique ayant deux faces opposées, l'une des faces, dite intérieure, étant disposée contre l'élément de mesure de température. L'autre face, dite extérieure, est destinée à être en contact avec le fluide.According to one characteristic, the sensor comprises at least one thermal conductive interface element having two opposite faces, one of the faces, so-called interior, being disposed against the temperature measuring element. The other face, said external, is intended to be in contact with the fluid.
Un tel élément d'interface protège l'élément de mesure de température, ainsi que le reste du capteur et est choisi (matériau et épaisseur) afin d'offrir une résistance thermique aussi faible que possible.Such an interface element protects the temperature measuring element, as well as the rest of the sensor, and is chosen (material and thickness) to provide as low a thermal resistance as possible.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément d'interface présente (entre ses deux faces opposées) une résistance thermique inférieure ou égale à 10°C/W.According to one characteristic, said at least one interface element has (between its two opposite faces) a thermal resistance of less than or equal to 10 ° C / W.
Cette caractéristique de l'élément d'interface permet de s'assurer que le flux thermique généré sera bien diffusé jusqu'à la face extérieure et évacué par le fluide, sans rencontrer une forte résistance thermique qui risquerait de provoquer une élévation de température nuisible au bon fonctionnement du capteur. En outre, ceci rend le capteur plus sensible, plus réactif et plus fiable.This characteristic of the interface element makes it possible to ensure that the heat flux generated will be well diffused up to the outer face and discharged by the fluid, without encountering a strong thermal resistance which could cause a harmful temperature rise to the temperature. correct operation of the sensor. In addition, this makes the sensor more responsive, more responsive and more reliable.
On notera que l'épaisseur du matériau d'interface est ainsi adaptée en fonction du matériau lui-même, compte tenu de la résistance thermique à ne pas dépasser.It will be noted that the thickness of the interface material is thus adapted as a function of the material itself, given the thermal resistance not to be exceeded.
L'invention a pour objet un système de mesure ou de détection d'un encrassement formé directement ou indirectement sur une face avant d'un capteur qui est exposée à un fluide, le capteur comprenant sous la forme de couches superposées :The invention relates to a system for measuring or detecting a fouling formed directly or indirectly on a front face of a sensor which is exposed to a fluid, the sensor comprising in the form of superposed layers:
- au moins un élément chauffant qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé,at least one heating element which is capable of diffusing, on command, a controlled homogeneous heat flow,
- un isolant thermique disposé du côté opposé à la face avant du capteur pour empêcher la dissipation du flux thermique dudit côté opposé, - au moins un élément de mesure de température qui est placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant,a thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent the dissipation of the heat flow of said opposite side; at least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flux diffused by the at least one heating element ,
- un substrat sur lequel sont rapportées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température, le système comprenant : - des moyens de détermination d'un écart de température entre, d'une part, la température pariétale mesurée par ledit au moins un élément de mesure de température lorsque ledit au moins un élément chauffant diffuse un flux thermique et, d'autre part, la température du fluide,a substrate on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element, the system comprising: means for determining a difference in temperature between, on the one hand, the parietal temperature measured by said at least one measuring element of temperature when said at least one heating element diffuses a heat flow and, on the other hand, the temperature of the fluid,
-des moyens de calcul de l'épaisseur de l'encrassement formé sur la face avant du capteur exposée au fluide à partir de l'écart de température déterminé.means for calculating the thickness of the fouling formed on the front face of the sensor exposed to the fluid from the determined temperature difference.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément chauffant génère une puissance thermique inférieure à 200 mW et ledit au moins un élément de mesure de température offre une précision de mesure meilleure que 0,1 °C.According to one characteristic, said at least one heating element generates a thermal power of less than 200 mW and said at least one temperature measuring element provides better measurement accuracy than 0.1 ° C.
L'invention a également pour objet un procédé de mesure et/ou de détection de l'encrassement formé sur la face avant d'un capteur qui est exposée à un fluide lorsque celui-ci est installé dans une paroi d'un contenant renfermant le fluide, le capteur comprenant sus la forme de couches superposées :The invention also relates to a method for measuring and / or detecting fouling formed on the front face of a sensor which is exposed to a fluid when it is installed in a wall of a container containing the fluid. fluid, the sensor comprising sus the form of superimposed layers:
- au moins un élément chauffant qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé, - un isolant thermique disposé du côté opposé à la face avant du capteur pour empêcher la dissipation du flux thermique dudit côté opposé,at least one heating element which is capable of diffusing, on command, a controlled homogeneous heat flow, a thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent the dissipation of the heat flux of said opposite side,
- au moins un élément de mesure de température qui est placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant,at least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flux diffused by said at least one heating element,
- un substrat sur lequel sont rapportées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température.a substrate on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element.
L'invention a aussi pour objet un procédé qui comprend les étapes suivantes :The subject of the invention is also a method which comprises the following steps:
- détermination d'un écart de température entre, d'une part, la température pariétale mesurée par ledit au moins un élément de mesure de température lorsque ledit au moins un élément chauffant diffuse un flux thermique, et d'autre part, la température du fluide,determining a difference in temperature between, on the one hand, the parietal temperature measured by said at least one temperature measuring element when said at least one heating element diffuses a heat flow, and on the other hand, the temperature of the fluid,
- calcul de l'épaisseur de l'encrassement formé sur la face avant du capteur exposée au fluide à partir de l'écart de température déterminé.calculating the thickness of the fouling formed on the front face of the sensor exposed to the fluid from the determined temperature difference.
L'invention a plus particulièrement pour objet un procédé dans lequel la détermination d'un écart de température comprend les étapes suivantes : - alternance de phases de commande de la diffusion d'une puissance thermique par ledit au moins un élément chauffant et de non diffusion d'une puissance thermique,The invention more particularly relates to a method in which the determination of a temperature difference comprises the following steps: alternation of control phases of the diffusion of a thermal power by said at least one heating element and non-diffusion of a thermal power,
- mesure en permanence durant chacune des phases précitées de la température pariétale par ledit au moins un élément de mesure de température,continuously measuring during each of the aforementioned phases of the parietal temperature by said at least one element for measuring temperature,
- détermination d'un écart de température entre les températures mesurées par ledit au moins l'élément de mesure de température.determining a temperature difference between the temperatures measured by the at least one temperature measuring element.
Ainsi, la mesure ou détection d'encrassement est effectuée en déterminant l'écart de température fourni par l'élément de mesure de température pariétale quand ledit au moins un élément chauffant génère un flux thermique et quand il n'en génère pas.Thus, the measurement or detection of fouling is performed by determining the temperature difference provided by the parietal temperature measuring element when said at least one heating element generates a heat flow and when it does not generate it.
On notera que lorsqu'un flux thermique n'est pas généré, le capteur qui est particulièrement sensible et réactif mesure la température du fluide.Note that when heat flow is not generated, the sensor that is particularly sensitive and responsive measures the temperature of the fluid.
A titre d'exemple, en l'absence d'encrassement sur la face extérieure exposée au fluide, l'écart de température est inférieur à 0,1 °C, alors qu'il peut atteindre 2 à 3°C en présence d'un fort encrassement.For example, in the absence of fouling on the external face exposed to the fluid, the temperature difference is less than 0.1 ° C, while it can reach 2 to 3 ° C in the presence of a heavy fouling.
Selon une caractéristique, l'étape de commande de la diffusion d'un flux thermique par ledit au moins un élément chauffant comprend une étape de génération d'un signal de modulation de puissance dudit au moins un élément chauffant.According to one characteristic, the step of controlling the diffusion of a heat flux by said at least one heating element comprises a step of generating a power modulation signal of said at least one heating element.
Selon une caractéristique, le signal est alternatif et par exemple est stationnaire.According to one characteristic, the signal is alternating and for example is stationary.
Selon une caractéristique, plus particulière, le signal alternatif stationnaire est en créneaux. Selon une caractéristique, ledit au moins un élément de mesure de température offre une précision de mesure de la température qui est meilleure ou égale à 1 % de l'écart de température maximale déterminé entre l'état non encrassé et l'état encrassé du capteur.According to one more particular characteristic, the stationary alternating signal is in slots. According to one characteristic, said at least one temperature measuring element provides a measurement accuracy of the temperature which is better or equal to 1% of the maximum temperature difference determined between the non-fouled state and the fouled condition of the sensor. .
Ainsi, par exemple si une puissance thermique de 10 mW est générée par l'élément chauffant et qu'un écart de température maximale de 1 à 2°C est détectable, alors la précision de mesure dudit au moins un élément de mesure de température est de l'ordre de 0,01 à 0,02°C. On notera que selon l'invention l'utilisation d'un élément de mesure de température ou de plusieurs éléments de mesure de température de très grande précision permettent d'utiliser un ou plusieurs éléments chauffants générant une très faible puissance thermique, alors que des éléments de mesure de température peu précis ne permettraient pas l'utilisation d'une puissance thermique aussi faible.Thus, for example if a thermal power of 10 mW is generated by the heating element and a maximum temperature difference of 1 to 2 ° C is detectable, then the measurement accuracy of said at least one temperature measuring element is on the order of 0.01 to 0.02 ° C. It should be noted that, according to the invention, the use of a temperature measuring element or of several very precise temperature measurement elements make it possible to use one or more heating elements generating a very low thermal power, whereas elements Uncertain temperature measurement would not allow the use of such a low thermal power.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 a est une vue schématique générale d'un capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention et des moyens associés permettant sa mise en œuvre ;Other features and advantages will become apparent from the following description, given solely by way of nonlimiting example and with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1a is a general schematic view of a sensor according to a first embodiment of the invention and associated means for its implementation;
- la figure 1 b est une vue schématique générale d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation ; - les figures 2a à 2f illustrent de façon schématique les étapes de fabrication du capteur selon le premier mode de réalisation ;FIG. 1b is a general schematic view of a sensor according to a second embodiment; FIGS. 2a to 2f schematically illustrate the manufacturing steps of the sensor according to the first embodiment;
- les figures 2a à 2c et 2g à 2i illustrent de façon schématique les étapes de fabrication du capteur selon le deuxième mode de réalisation ; - les figures 3 et 4 illustrent de façon schématique respectivement deux formes de réalisation de la couche d'élément chauffant ;FIGS. 2a to 2c and 2g to 2i schematically illustrate the manufacturing steps of the sensor according to the second embodiment; - Figures 3 and 4 schematically illustrate respectively two embodiments of the heating element layer;
- la figure 5a illustre de façon schématique la superposition d'une couche d'élément de mesure de température et de la couche d'élément chauffant de la figure 4 ; - la figure 5b illustre la superposition d'une couche comprenant deux éléments de mesure de température et de la couche d'élément chauffant de la figure 4 ; les figures 6 et 7 illustrent de façon schématique respectivement deux formes de réalisation de couche d'élément de mesure de température ; - la figure 8 est une vue schématique montrant l'implantation d'un capteur selon l'invention dans un corps monté sur une paroi d'un contenant ;Figure 5a schematically illustrates the superposition of a temperature measuring element layer and the heating element layer of Figure 4; FIG. 5b illustrates the superposition of a layer comprising two temperature measuring elements and the heating element layer of FIG. 4; Figures 6 and 7 schematically illustrate respectively two embodiments of the temperature measuring element layer; - Figure 8 is a schematic view showing the implantation of a sensor according to the invention in a body mounted on a wall of a container;
- la figure 9 est une vue schématique montrant l'implantation d'un capteur selon l'invention dans une paroi d'un contenant ; les figures 10 et 11 illustrent les mesures de température relevées par un capteur selon l'invention, respectivement en présence et en l'absence d'encrassement en relation avec un signal d'alimentation S ; - la figure 12 illustre de façon schématique l'évolution d'une courbe d'encrassement au cours du temps formée sur le capteur représenté sur les figures 2f et 9.FIG. 9 is a schematic view showing the implantation of a sensor according to the invention in a wall of a container; Figures 10 and 11 illustrate the temperature measurements taken by a sensor according to the invention, respectively in the presence and in the absence of fouling in relation to a supply signal S; FIG. 12 schematically illustrates the evolution of a fouling curve during the time formed on the sensor shown in FIGS. 2f and 9.
La présente invention a pour but de proposer, notamment grâce aux procédés de fabrication collective de la micro-électronique en général, et grâce aux procédés de fabrication des technologies microsystèmes en particulier, un capteur de petites dimensions capable de déterminer un encrassement dans un fluide en écoulement ou au repos.The object of the present invention is to propose, particularly by means of the collective manufacturing processes of microelectronics in general, and by the microsystems technology manufacturing processes in particular, a small sensor capable of determining a fouling in a fluid in flow or at rest.
On notera qu'un capteur miniaturisé selon l'invention peut être alternativement fabriqué suivant d'autres techniques telles que la sérigraphie. Comme représenté schématiquement sur la figure 1a, un capteur 10 réalisé en utilisant des technologies de fabrication microsystèmes selon un premier mode de réalisation de l'invention comprend plusieurs éléments fonctionnels assemblés les uns avec les autres sur un substrat 12 ayant deux faces opposées 12a, 12b, à savoir : - au moins un élément chauffant 14 réalisé sous la forme d'une couche déposée sur la face 12b du substrat 12 et qui diffuse, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé,It will be noted that a miniaturized sensor according to the invention may alternatively be manufactured according to other techniques such as screen printing. As shown diagrammatically in FIG. 1a, a sensor 10 made using microsystem manufacturing technologies according to a first embodiment of the invention comprises several functional elements assembled with each other on a substrate 12 having two opposite faces 12a, 12b , namely: at least one heating element 14 made in the form of a layer deposited on the face 12b of the substrate 12 and diffusing, on command, a controlled homogeneous heat flow,
- au moins un élément de mesure de température 16 réalisé sous la forme d'une couche déposée sur la couche 14 et qui est disposé de façon à être dans la partie la plus homogène du flux thermique dissipé (quand l'élément 16 est unique il est au centre de la zone active du ou des éléments chauffants), - un isolant thermique 11 en contact avec la face 12a du substrat (l'isolant est par exemple un bloc de Teflon de 400μm d'épaisseur et de 0,25 W/mK de conductivité thermique),at least one temperature measuring element 16 made in the form of a layer deposited on the layer 14 and which is arranged so as to be in the most homogeneous part of the dissipated heat flow (when the element 16 is unique there is is in the center of the active zone of the heating element or elements), a thermal insulator 11 in contact with the face 12a of the substrate (the insulator is, for example, a Teflon block of 400 μm thickness and 0.25 W / mK of thermal conductivity),
- et, de façon optionnelle, au moins un élément d'interface 18 conducteur thermique réalisé sous la forme d'une couche déposée sur la couche 16 et qui protège le capteur vis-à-vis d'agressions extérieures.- And, optionally, at least one thermal conductive interface element 18 made in the form of a layer deposited on the layer 16 and which protects the sensor vis-à-vis external aggressions.
Dans cet exemple le capteur est ainsi réalisé sous la forme d'une pluralité de couches hétérogènes superposées.In this example, the sensor is thus produced in the form of a plurality of superposed heterogeneous layers.
L'élément de mesure de température 16 est par exemple dans un rapport de surface avec l'élément chauffant 14 (plus précisément avec la zone active de l'élément chauffant) inférieure à 2 %, c'est-à-dire que la taille de l'élément 16 est au moins 50 fois plus petite que celle de l'élément 14.The temperature measuring element 16 is for example in a surface ratio with the heating element 14 (more precisely with the active zone of the heating element) less than 2%, that is to say that the size of the element 16 is at least 50 times smaller than that of the element 14.
La figure 1a ne fait pas apparaître les éléments fonctionnels au sein des couches pour des raisons d'échelle et de lisibilité. L'élément de mesure de température est caractérisé par une grande précision de mesure meilleure que 0,1 °C, plus particulièrement comprise entre 0,005 et 0,01 °C, qui lui permet de coopérer avec un ou plusieurs éléments chauffants générant une faible puissance thermiqueFigure 1a does not show the functional elements within the layers for reasons of scale and readability. The temperature measuring element is characterized by a high measuring accuracy better than 0.1 ° C, more particularly between 0.005 and 0.01 ° C, which allows it to cooperate with one or more heating elements generating a low power. thermal
La puissance thermique générée est comprise entre 1 et 50 mW. Cette puissance est, d'une part, suffisante pour que l'élément de mesure 16 très sensible puisse mesurer une température et, d'autre part, suffisamment faible pour ne pas influencer le milieu de mesure (fluide).The thermal power generated is between 1 and 50 mW. This power is, on the one hand, sufficient for the highly sensitive measuring element 16 to measure a temperature and, on the other hand, sufficiently low so as not to influence the measurement medium (fluid).
Il faut en effet éviter de chauffer le milieu pour, par exemple, éviter de provoquer un encrassement non naturel sur le capteur. La faible valeur de puissance et la grande précision de mesure permettent au capteur d'être très sensible, très réactif et très fiable dans la mesure et/ou la détection d'encrassement, sans toutefois être perturbé par les conditions de mesure en général et par la circulation du fluide en particulier.It is indeed necessary to avoid heating the medium to, for example, avoid causing unnatural fouling on the sensor. The low power value and high measuring accuracy allow the sensor to be very sensitive, highly reactive and very reliable in measuring and / or detecting fouling, without being disturbed by the measuring conditions in general and by the circulation of the fluid in particular.
La couche dudit au moins un élément chauffant 14 qui est alimentée par des moyens d'alimentation en énergie électrique 20 (exemple : générateur de courant ou de tension capable de fournir une puissance électrique sur commande), via des moyens de connexion 22, diffuse un flux thermique homogène et contrôlé illustré par la flèche verticale sur la figure.The layer of said at least one heating element 14 which is powered by electrical power supply means 20 (example: current or voltage generator capable of supplying electrical power on control), via connection means 22, diffuses a homogeneous and controlled heat flow illustrated by the vertical arrow in the figure.
Ce flux est dissipé vers la face avant du capteur (face qui est destinée à être en contact direct ou indirect avec le fluide et qui est soit la face libre de la couche 18 soit la face libre de la couche 16) opposée à la face arrière du capteur où se trouve l'isolant thermique en raison de la présence de cet isolant.This flow is dissipated towards the front face of the sensor (face which is intended to be in direct or indirect contact with the fluid and which is either the free face of the layer 18 or the free face of the layer 16) opposite to the rear face the sensor where the thermal insulation is located because of the presence of this insulation.
Plus généralement, la dissipation du flux est empêchée en face arrière du capteur par l'isolant thermique.More generally, the dissipation of the flux is prevented on the rear face of the sensor by the thermal insulation.
La couche dudit au moins un élément de mesure de température 16, placée dans ce flux thermique homogène et connu, mesure la température pariétale en continu ou de façon discontinue et transmet ces mesures, via les moyens de connexion 24, à une unité de traitement de données 26 ou calculateurThe layer of said at least one temperature measuring element 16, placed in this homogeneous and known thermal flow, measures the parietal temperature continuously or discontinuously and transmits these measurements, via the connection means 24, to a treatment unit of data 26 or calculator
(incluant par exemple un microprocesseur et des mémoires).(Including for example a microprocessor and memories).
Lorsque la couche dudit au moins un élément d'interface 18 est présente elle transmet le flux thermique vers l'extérieur du capteur, en direction du milieu fluide dans lequel il est placé et dissipe cette chaleur.When the layer of said at least one interface element 18 is present, it transmits the thermal flux towards the outside of the sensor, towards the fluid medium in which it is placed and dissipates this heat.
Les données (par exemple température pariétale mesurée par l'élément 16 et puissance induite dans l'élément 14) sont recueillies par l'unité 26.The data (for example parietal temperature measured by element 16 and induced power in element 14) are collected by unit 26.
Cette unité 26 échantillonne et traduit en grandeurs physiques (température, ...) les mesures et informations provenant du capteur, ainsi que la puissance générée. On notera que le système de détermination d'encrassement formé du capteur et notamment des éléments 20 et 26 comprend des moyensThis unit 26 samples and translates in physical quantities (temperature, ...) the measurements and information from the sensor, as well as the power generated. It will be noted that the fouling determination system formed by the sensor and in particular elements 20 and 26 comprises means
(unité 26) de détermination d'un écart de température entre les températures mesurées par l'élément de mesure et des moyens de calcul (unité 26) de l'épaisseur de l'encrassement formé à la surface du capteur à partir de cet écart de température ainsi déterminé et des formules physiques de géométrie de capteur connue.(unit 26) for determining a temperature difference between the temperatures measured by the measuring element and calculation means (unit 26) of the thickness of the fouling formed on the sensor surface from this difference of temperature thus determined and physical formulas of known sensor geometry.
Plus particulièrement, les moyens de détermination mesurent un écart de température entre, d'une part, la température pariétale mesurée par l'élément de mesure de température lorsque l'élément chauffant dissipe un flux thermique et, d'autre part, la température du fluide. Le système comprend en outre, de façon optionnelle, un afficheur 28 et/ou des moyens 30 de transmission d'informations à distance. L'afficheur 28 permet, par exemple, d'afficher en continu, les valeurs de température (mesurée) et d'encrassement (calculée) comme on le verra plus loin, par exemple sous la forme de courbes représentant l'évolution temporelle de la température et/ou de l'épaisseur d'encrassement. Les moyens 28 (exemple : transmetteur) permettent d'envoyer à distance les données mesurées et/ou traitées par l'unité 26 et/ou une information d'alerte et/ou une autre information relative au capteur et/ou à son état de fonctionnement.More particularly, the determination means measure a temperature difference between, on the one hand, the wall temperature measured by the temperature measuring element when the heating element dissipates a heat flow and, on the other hand, the temperature of the fluid. The system further comprises, optionally, a display 28 and / or means 30 for transmitting information to distance. The display 28 makes it possible, for example, to continuously display the temperature (measured) and fouling (calculated) values as will be seen below, for example in the form of curves representing the time evolution of the temperature and / or the fouling thickness. The means 28 (example: transmitter) make it possible to remotely send the data measured and / or processed by the unit 26 and / or alerting information and / or other information relating to the sensor and / or its state of being. operation.
La figure 1 b illustre un capteur 10 réalisé en utilisant par exemple des technologies de fabrication microsystèmes selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.FIG. 1b illustrates a sensor 10 made using, for example, microsystem manufacturing technologies according to a second embodiment of the invention.
Les éléments fonctionnels déjà décrits en relation avec le capteur illustré à la figure 1a restent les mêmes et ne sont donc pas décrits à nouveau.The functional elements already described in relation to the sensor illustrated in FIG. 1a remain the same and are therefore not described again.
L'agencement du capteur de la figure 1 b est différent de celui de la figure 1a dans la mesure où l'élément chauffant 14 et l'élément de mesure de température 16 sont disposés, non pas d'un même côté du substrat 12, mais de part et d'autre de celui-ci.The arrangement of the sensor of FIG. 1b is different from that of FIG. 1a insofar as the heating element 14 and the temperature measuring element 16 are arranged, not on the same side of the substrate 12, but on both sides of it.
En effet, l'élément de mesure de température 16 est disposé en regard de la face 12b du substrat et par exemple au contact de celle-ci (bien qu'une ou plusieurs couches intermédiaires puissent être disposées entre ces deux éléments) et l'élément chauffant 14 est disposé entre la face 12a du substrat et l'isolant thermique 11.Indeed, the temperature measuring element 16 is disposed facing the face 12b of the substrate and for example in contact with it (although one or more intermediate layers may be arranged between these two elements) and the heating element 14 is disposed between the face 12a of the substrate and the thermal insulator 11.
Dans cette disposition les deux éléments fonctionnels 14 et 16 du capteur sont éloignés l'un de l'autre d'une distance correspondant sensiblement à l'épaisseur du substrat 12. Cette épaisseur peut être de l'ordre de plusieurs centaines de microns et par exemple de 300 microns.In this arrangement the two functional elements 14 and 16 of the sensor are spaced from each other by a distance corresponding substantially to the thickness of the substrate 12. This thickness can be of the order of several hundred microns and by example of 300 microns.
Cette disposition permet de réduire l'influence directe de l'élément chauffant sur l'élément de mesure de température afin d'améliorer les performances du capteur. Grâce à cet agencement, le ou les éléments de mesure de température 16 mesureront une température pariétale qui est plus proche de celle du fluide que de celle de l'élément chauffant. La mesure de l'encrassement qui en résultera sera donc plus fiable. Par ailleurs, le capteur est ainsi plus sensible.This arrangement makes it possible to reduce the direct influence of the heating element on the temperature measuring element in order to improve the performance of the sensor. With this arrangement, the one or more temperature measuring elements 16 will measure a wall temperature that is closer to that of the fluid than that of the heating element. The resulting measurement of fouling will therefore be more reliable. Moreover, the sensor is thus more sensitive.
On notera toutefois que l'élément de mesure de température se trouve toujours dans la partie homogène du flux thermique généré par l'élément chauffant malgré cet écartement entre les deux éléments.Note however that the temperature measuring element is always in the homogeneous part of the heat flow generated by the heating element despite this spacing between the two elements.
On notera que pour certaines fonctionnalités du capteur, il est envisageable de prévoir certaines opérations de micro-usinage sur une ou plusieurs couches précitées.Note that for some features of the sensor, it is possible to provide certain micromachining operations on one or more of the aforementioned layers.
La description d'un capteur microsystème et d'un procédé de fabrication de celui-ci va maintenant être faite en référence aux figures 2a-i et 3 à 7.The description of a microsystem sensor and a manufacturing method thereof will now be made with reference to Figures 2a-i and 3 to 7.
Les figures 2a à 2f illustrent un procédé de fabrication du capteur de la figure 1a, tandis que les figures 2a à 2c et 2g à 2i illustrent un procédé de fabrication du capteur de la figure 1 b. Les étapes 2a à 2c sont communes aux deux procédés et vont maintenant être décrites.Figures 2a to 2f illustrate a manufacturing method of the sensor of Figure 1a, while Figures 2a to 2c and 2g to 2i illustrate a method of manufacturing the sensor of Figure 1b. Steps 2a to 2c are common to both methods and will now be described.
Sur la figure 2a, une couche isolante électriquement 40 est d'abord déposée sur un substrat d'accueil 42 par exemple en silicium, d'une épaisseur donnée (par exemple 300μm). Une couche de passivation 40 peut être formée sur les deux faces opposées du substrat (Fig.2a). Cette couche isolante 40 peut être une monocouche d'oxyde de silicium déposée thermiquement, ou une monocouche de nitrure de silicium d'une épaisseur de l'ordre du μm. Elle peut être alternativement composée d'une bicouche qui est généralement composée d'une première couche d'oxyde de silicium sur laquelle est déposée une deuxième couche de nitrure de silicium. Les épaisseurs couramment utilisées sont, pour le SiO2, de 0,7μm et de 0,8μm pour le nitrure de silicium.In FIG. 2a, an electrically insulating layer 40 is first deposited on a reception substrate 42, for example made of silicon, of a given thickness (for example 300 μm). A passivation layer 40 may be formed on the two opposite faces of the substrate (FIG. 2a). This insulating layer 40 may be a monolayer of silicon oxide deposited thermally, or a monolayer of silicon nitride with a thickness of about one micron. It may be alternately composed of a bilayer which is generally composed of a first layer of silicon oxide on which a second layer of silicon nitride is deposited. The thicknesses currently used are, for SiO2, 0.7 μm and 0.8 μm for silicon nitride.
Comme représenté sur la figure 2b, une couche 14 constituée d'un ou de plusieurs éléments chauffants (un seul élément chauffant est représenté dans cet exemple de réalisation) est formée par un dépôt métallique sur l'une des couches isolantes 40 (par exemple, la couche supérieure).As shown in FIG. 2b, a layer 14 consisting of one or more heating elements (only one heating element is shown in this embodiment) is formed by a metal deposit on one of the insulating layers 40 (for example, the upper layer).
L'élément chauffant 14 est configuré de manière à optimiser et à favoriser la création du flux de chaleur. Le métal est déposé sous la forme d'une ou de plusieurs pistes ou lignes résistives de faible largeur formant une figure géométrique plus ou moins complexe selon les caractéristiques physiques recherchées (ici, le flux thermique à produire par l'élément chauffant), en couvrant une ou plusieurs zones, voire la quasi-totalité de la couche 40. Ces lignes s'apparentent à des pistes métalliques résistives formées, par exemple, par sérigraphie sur un substrat de circuit imprimé. Ces lignes sont conçues de manière à former un ou des serpentins 40a (Fig.3) ou bien des lignes concentriques 40b (Fig.4). L'élément chauffant est constitué soit d'une monocouche de métal de type Platine (Pt), ou bien d'une bicouche de type Titane/ Platine (Ti/Pt). La première couche en Titane est une couche d'accroché qui permet à la couche de Platine d'augmenter son adhérence. Elle a également pour rôle d'augmenter, lors d'une phase de chauffe, sa résistance mécanique qui est engendrée par la variation de contrainte dans cette couche. L'objectif est de limiter au maximum les effets de décollement et, par là-même, d'augmenter la durée de vie de l'élément chauffant. Cet élément chauffant peut être également réalisé en silicium dopé.The heating element 14 is configured to optimize and promote the creation of the heat flow. The metal is deposited in the form of a or of several tracks or resistive lines of small width forming a more or less complex geometrical figure according to the physical characteristics sought (here, the thermal flux to be produced by the heating element), by covering one or more zones, or even almost all of the layer 40. These lines are similar to resistive metal tracks formed, for example, by screen printing on a printed circuit substrate. These lines are designed to form one or coils 40a (Fig.3) or concentric lines 40b (Fig.4). The heating element consists of either a platinum-type metal monolayer (Pt) or a titanium / platinum-type (Ti / Pt) bilayer. The first layer of titanium is a layer of hanging that allows the platinum layer to increase its adhesion. It also has the role of increasing, during a heating phase, its mechanical resistance which is caused by the variation of stress in this layer. The aim is to minimize the effects of delamination and thereby increase the service life of the heating element. This heating element can also be made of doped silicon.
On notera que l'élément chauffant des figures 3 et 4 comporte des pistes ou plots de connexion qui permettent de fournir à cet élément l'énergie électrique nécessaire en provenance du dispositif 20. En particulier, l'élément chauffant de la figure 3 comporte quatre plots de connexion électrique qui sont par exemple utilisés à des fins de test ou de mesure en mettant en œuvre la technique connue des quatre pointes.It will be noted that the heating element of FIGS. 3 and 4 comprises connecting tracks or pads which make it possible to supply this element with the necessary electrical energy coming from the device 20. In particular, the heating element of FIG. electrical connection pads which are for example used for test or measurement purposes by implementing the known technique of the four points.
Le dimensionnement du ou des éléments chauffants est réalisé grâce à la formule suivante : R chauffe = P-(L/S) où, p est la résistivité du matériau constituant l'élément chauffant, L est la longueur du fil constituant l'élément chauffant, S est la surface de l'élément chauffant définie par la formule suivante, S = h*l où I est la largeur de l'élément chauffant et h sa hauteur. Le dimensionnement de l'élément chauffant est réalisé en déterminant le flux de chaleur nécessaire pour pouvoir déceler un encrassement à la surface du capteur en fonction de l'application visée.The dimensioning of the heating element (s) is achieved by the following formula: R = P- (L / S) where p is the resistivity of the material constituting the heating element, L is the length of the wire constituting the heating element S is the surface of the heating element defined by the following formula, S = h * 1 where I is the width of the heating element and h is its height. The dimensioning of the heating element is performed by determining the heat flow necessary to be able to detect a fouling on the surface of the sensor according to the intended application.
L'injection d'un courant électrique ou d'une tension dans la résistance de chauffe génère une surchauffe de celle-ci. Un flux de chaleur est alors généré et varie en fonction de la puissance injectée dans l'élément chauffant. La valeur de sa résistance au repos est calculée en fonction de la puissance du flux de chaleur à générer.The injection of an electric current or a voltage into the heating resistor generates an overheating thereof. A heat flux is then generated and varies according to the power injected into the heating element. The value of its resistance to rest is calculated according to the power of the heat flow to be generated.
Grâce à l'utilisation des technologies microsystèmes (petite tailles des éléments) la puissance injectée dans l'élément chauffant est très faible par exemple de l'ordre de 10 mW (ce qui correspond à un courant d'intensité comprise entre 0,1 et 10mA), ce qui est particulièrement avantageux.Thanks to the use of microsystems technologies (small sizes of the elements) the power injected into the heating element is very low, for example of the order of 10 mW (which corresponds to a current of intensity of between 0.1 and 10mA), which is particularly advantageous.
On notera que l'élément chauffant est ainsi par exemple réalisé sous la forme de pistes résistives en Platine de 40μm de largeur et de 2μm d'épaisseur et dont la résistance électrique est de 3,2 kΩ à 20°C.It will be noted that the heating element is for example made in the form of platinum resistive tracks of 40 .mu.m width and 2 .mu.m thickness and whose electrical resistance is 3.2 kΩ at 20 ° C.
La taille de la surface active de l'élément chauffant est par exemple de 25mm2 (correspondant à un carré de 5mm de côté).The size of the active surface of the heating element is for example 25 mm 2 (corresponding to a square of 5 mm side).
La puissance thermique générée par un tel élément est comprise entre 5 et 5OmW et plus particulièrement entre 5 et 10 mW. La densité de puissance est quant à elle comprise entre 0,2 et 2 mW/mm2.The thermal power generated by such an element is between 5 and 50 mW and more particularly between 5 and 10 mW. The power density is between 0.2 and 2 mW / mm2.
Une couche 44 isolante électriquement est déposée sur la couche de l'élément chauffant 14 (Fig.2c). Cette couche diélectrique, par exemple en nitrure de silicium, est déposée selon la technique de dépôt connue sous l'appellation PECVD. Le premier rôle de cette couche est de supprimer tout risque de court circuit entre l'élément chauffant 14 et la prochaine couche à déposer (élément de mesure), lors du fonctionnement qui sera décrit ultérieurement. Le deuxième rôle de cette couche est de planéifier la topographie engendrée par la présence de l'élément chauffant afin de faciliter le dépôt de l'élément de mesure.An electrically insulating layer 44 is deposited on the layer of the heating element 14 (FIG. 2c). This dielectric layer, for example made of silicon nitride, is deposited according to the deposition technique known as PECVD. The first role of this layer is to eliminate any risk of short circuit between the heating element 14 and the next layer to be deposited (measuring element), during the operation to be described later. The second role of this layer is to planify the topography generated by the presence of the heating element to facilitate the deposition of the measuring element.
Les étapes 2d et 2f du procédé de fabrication du capteur de la figure 1 a vont maintenant être décrites.Steps 2d and 2f of the manufacturing method of the sensor of Figure 1a will now be described.
Une couche 16 comprenant un ou plusieurs éléments de mesure de température est déposée sur la couche isolante 44 décrite précédemment (Fig.2d). Cette couche est configurée de manière à optimiser la variation de ses caractéristiques résistives en fonction de la température. La répartition d'un flux de chaleur lors d'une phase de chauffe d'un élément chauffant est homogène au centre de celui-ci et devient discontinue lorsque l'on s'éloigne de son centre. Par conséquent l'élément de mesure de la température est déposé au dessus de l'élément chauffant 14, réalisé par exemple suivant la configuration 40b de la figure 4, sur la couche diélectrique 44. L'élément de mesure 16 est disposé de façon centrée sur l'élément chauffant et il est de taille bien inférieure à celle dudit élément chauffant afin d'être placé dans la partie du flux la plus homogène au cœur de celui du flux thermique, évitant ainsi les perturbations engendrées par les effets de bord.A layer 16 comprising one or more temperature measuring elements is deposited on the insulating layer 44 previously described. (Fig.2d). This layer is configured to optimize the variation of its resistive characteristics as a function of temperature. The distribution of a heat flow during a heating phase of a heating element is homogeneous in the center of it and becomes discontinuous when one moves away from its center. Therefore the temperature measuring element is deposited above the heating element 14, made for example according to the configuration 40b of FIG. 4, on the dielectric layer 44. The measuring element 16 is arranged centrally on the heating element and it is much smaller than that of said heating element to be placed in the most homogeneous flow part of the heart of that of the heat flow, thus avoiding the disturbances caused by edge effects.
La figure 5a montre la position centrée et superposée d'un élément de mesure de température 16 au dessus d'un élément chauffant.Figure 5a shows the centered and superimposed position of a temperature measuring element 16 above a heating element.
On notera que plusieurs éléments de mesure de température peuvent être placés dans le flux thermique et répartis à distance les uns des autres comme représenté sur la figure 5b. Sur cette figure, deux éléments de mesure 16a et 16b sont disposés dans la partie centrale de l'élément chauffant pour être au cœur du flux homogène et connu mais écartés l'un de l'autre pour pouvoir déterminer l'encrassement à deux endroits distincts de la surface du capteur. Plus de deux éléments peuvent être utilisés selon les besoins et les applications.Note that several temperature measuring elements can be placed in the heat flow and distributed at a distance from each other as shown in Figure 5b. In this figure, two measuring elements 16a and 16b are arranged in the central part of the heating element to be at the heart of the homogeneous flow and known but spaced from each other to be able to determine the fouling in two distinct places. of the sensor surface. More than two elements can be used according to needs and applications.
La géométrie retenue pour créer cet élément de mesure est connue de l'homme du métier. Une ou plusieurs lignes métalliques résistives agencées sous la forme de serpentins (Fig.6) ou bien de lignes concentriques (Fig.7) peuvent être utilisées de la même façon que décrit plus haut pour l'élément chauffant en référence aux figures 3 et 4. Le ou les éléments de mesure de la température sont constitués soit d'une monocouche de métal, par exemple de platine soit d'une bicouche de type Ti/Pt. La première couche en Titane constitue la couche d'accroché. L'élément de mesure de température 16 est ainsi par exemple réalisé sous la forme de pistes résistives en Platine de 20μm de largeur et de 2μm d'épaisseur et dont la résistance électrique est de 3 k Ω à 20°C. La précision de mesure est par exemple de 0,005°C avec une électronique adaptée (ayant par exemple une précision de 20 bits).The geometry retained to create this measuring element is known to those skilled in the art. One or more resistive metal lines arranged in the form of coils (FIG. 6) or concentric lines (FIG. 7) may be used in the same manner as described above for the heating element with reference to FIGS. The temperature measuring element or elements consist of either a monolayer of metal, for example platinum or a Ti / Pt type bilayer. The first layer of Titanium is the layer of hooked. The temperature measuring element 16 is thus for example made in the form of platinum resistive tracks of 20 .mu.m width and 2 .mu.m thickness and whose electrical resistance is 3 k Ω at 20 ° C. The precision for example measuring 0.005 ° C with a suitable electronics (having for example a precision of 20 bits).
La taille de la surface de l'élément de mesure de température est par exemple de 0,49 mm2 (ce qui correspond à un carré de 700μm de côté). On notera que l'élément de mesure des figures 5a et 5b, 6 et 7 comporte des pistes ou plots de connexion qui permettent de fournir à cet élément l'énergie électrique nécessaire en provenance du dispositif 20 et de recueillir , au niveau de l'unité 26, les données de température.The size of the surface of the temperature measuring element is, for example, 0.49 mm 2 (which corresponds to a square of 700 μm on the side). It will be noted that the measuring element of FIGS. 5a and 5b, 6 and 7 comprises connecting tracks or pads which make it possible to supply this element with the necessary electrical energy coming from the device 20 and to collect, at the level of the unit 26, the temperature data.
L'élément de mesure tel que celui de la figure 7 peut être mis en œuvre en utilisant par exemple la technique bien connue des deux pointes qui permet, connaissant la tension et l'intensité électriques, d'en déduire de façon directe la valeur de la résistance.The measuring element such as that of FIG. 7 can be implemented using, for example, the well-known technique of the two tips which makes it possible, knowing the voltage and the electrical intensity, to deduce therefrom in a direct way the value of resistance.
Cette mesure est utilisée lorsque le bruit de mesure ou associé à la mesure n'est pas trop élevé et c'est celle utilisée dans l'assemblage des figures 5a et 5b.This measurement is used when the measurement noise or associated measurement is not too high and it is the one used in the assembly of Figures 5a and 5b.
Lorsque le bruit est trop élevé l'élément de mesure tel que celui de la figure 6 peut être mis en œuvre en utilisant par exemple la technique bien connue des quatre pointes. Selon cette technique de mesure indirecte, on connaît la valeur de la tension imposée aux bornes, on mesure la valeur de l'intensité et l'on en déduit la valeur de la résistance.When the noise is too high the measuring element such as that of Figure 6 can be implemented using for example the well known technique of the four points. According to this indirect measurement technique, the value of the voltage imposed on the terminals is known, the value of the intensity is measured and the value of the resistance is deduced therefrom.
On notera que la technique des quatre pointes peut également être utilisée à des fins de test.Note that the four-point technique can also be used for testing purposes.
Une couche isolante 46 est déposée sur la couche de l'élément de mesure de température (Fig.2e). Cette couche isolante électriquement est déposée sur l'élément de mesure. Le premier rôle de cette couche est de supprimer tout risque de court circuit entre l'élément de mesure et la prochaine couche à déposer (élément(s) d'interface), lors du fonctionnement qui sera décrit ultérieurement.An insulating layer 46 is deposited on the layer of the temperature measuring element (FIG. 2e). This electrically insulating layer is deposited on the measuring element. The first role of this layer is to eliminate any risk of short circuit between the measuring element and the next layer to be deposited (interface element (s)), during the operation to be described later.
Le deuxième rôle de cette couche est de rendre plane la topographie du microsystème en cours de fabrication. Le dépôt d'une couche de diélectrique suivant la technique connue dite PECVD permet de limiter les variations de profil trop importantes. L'épaisseur de cette couche doit être comme expliqué ci-dessus d'une épaisseur suffisante pour, d'une part, éliminer tout risque de court circuit entre l'élément de mesure et la couche d'interface lorsqu'elle est présente et, d'autre part, diminuer de manière conséquente les reliefs produits par la topographie engendrée par la présence de l'élément de mesure et offrir, ainsi, une surface aussi plane que possible.The second role of this layer is to flatten the topography of the microsystem during manufacture. The deposition of a dielectric layer according to the known technique known as PECVD makes it possible to limit excessive profile variations. The thickness of this layer must, as explained above, be of sufficient thickness to, on the one hand, eliminate any risk of a short circuit between the measuring element and the interface layer when it is present and, on the other hand, significantly reduce the reliefs produced by the topography generated by the presence of the measuring element and thus offer as flat a surface as possible.
De façon optionnelle, une couche 18 de protection formée d'au moins un élément d'interface est déposée sur la couche isolante 46 (Fig.2f) par des techniques bien connues de l'homme de l'art (ex : PEVCD). Cette couche peut être constituée, par exemple, d'une couche de métal ou d'une couche de diélectrique.Optionally, a protective layer 18 formed of at least one interface element is deposited on the insulating layer 46 (FIG. 2f) by techniques well known to those skilled in the art (eg PEVCD). This layer may consist, for example, of a metal layer or a dielectric layer.
Comme déjà mentionné, le procédé de fabrication du capteur de la figure 1 b comprend les étapes 2a à 2c déjà décrites et les étapes 2g à 2i qui vont maintenant être brièvement décrites. La figure 2g correspond à l'étape d'application ou de dépôt d'une couche 16 comprenant un ou plusieurs éléments de mesure de température sur la couche isolante 40 située sous le substrat 42 de la figure 2c.As already mentioned, the manufacturing method of the sensor of FIG. 1b comprises the steps 2a to 2c already described and the steps 2g to 2i which will now be briefly described. FIG. 2g corresponds to the step of applying or depositing a layer 16 comprising one or more temperature measuring elements on the insulating layer 40 situated under the substrate 42 of FIG. 2c.
Sur la figure 2g on a renversé l'agencement de la figure 2c et l'élément chauffant 14 se retrouve en partie basse, sous le substrat 42. L'étape consistant à déposer l'élément ou les éléments de mesure de température 16 est identique à ce qui a été décrit au regard de la figure 2d, si ce n'est que les ou les éléments de mesure de température sont ainsi disposés du côté du substrat qui est opposé au côté sur lequel est disposé l'élément chauffantFIG. 2g reverses the arrangement of FIG. 2c and the heating element 14 is found at the bottom, under the substrate 42. The step of depositing the element or the elements for measuring the temperature 16 is identical to what has been described with reference to FIG. 2d, except that the temperature measuring element or elements are thus arranged on the side of the substrate which is opposed to the side on which the heating element is arranged.
14. L'étape illustrée sur la figure 2h correspond à l'application ou au dépôt d'une couche isolante 46 identique à celle décrite en relation avec la figure 2e précédemment décrite.14. The step illustrated in Figure 2h corresponds to the application or deposition of an insulating layer 46 identical to that described in relation to Figure 2e previously described.
De la même façon que pour la figure 2f, une couche optionnelle 18 de protection jouant le rôle d'élément d'interface est déposée sur la couche isolante 46, au-dessus du ou des éléments de mesure de température 16. Les caractéristiques et avantages décrits en relation avec les étapes de la partie du procédé de fabrication illustré sur les figures 2d à 2f restent valables pour les figures 2g à 2i et ne seront donc pas répétées.In the same way as for FIG. 2f, an optional protective layer 18 acting as an interface element is deposited on the insulating layer 46, above the temperature measuring element or elements 16. The features and advantages described in connection with the steps of the part of the manufacturing process illustrated in FIGS. 2d to 2f remain valid for FIGS. 2g to 2i and will therefore not be repeated.
La figure 8 illustre un exemple de réalisation dans lequel le capteur microsystème 10 selon l'invention est associé à une paroi 50 d'un contenant 52 (par exemple un réacteur chimique ou bien une cuve) dans lequel un fluide, ici stagnant, symbolisé par la référence F est présent.FIG. 8 illustrates an exemplary embodiment in which the microsystem sensor 10 according to the invention is associated with a wall 50 of a container 52 (for example a chemical reactor or a vessel) in which a fluid, here stagnant, symbolized by the reference F is present.
On notera que le contenant 52 renfermant le fluide peut être d'un autre type tel qu'une conduite ou une canalisation d'une installation industrielle,.... On notera en outre que le fluide présent dans le contenant n'est pas nécessairement au repos mais peut être en écoulement.It will be noted that the container 52 containing the fluid may be of another type such as a pipe or pipe of an industrial plant, .... It will also be noted that the fluid present in the container is not necessarily at rest but may be in flow.
Le capteur microsystème 10 tel que représenté de façon schématique sur la figure 1a ou 1 b, est monté dans l'une des parois du contenant comme indiqué sur la figure 8 par l'intermédiaire d'un corps 54 dans lequel le microsystème 10 est intégré.The microsystem sensor 10 as shown schematically in FIG. 1a or 1b, is mounted in one of the walls of the container as shown in FIG. 8 via a body 54 in which the microsystem 10 is integrated. .
Plus particulièrement, le capteur 10 est agencé dans une enveloppe cylindrique creuse 56 pourvue à une de ses extrémités longitudinales 56a d'une plaque 58 formant épaulement et qui a par exemple une forme de disque ou de pastille. Cette plaque est par exemple soudée à l'enveloppe cylindrique 56. On notera que d'autres formes de corps peuvent être envisagées sans remettre en cause le fonctionnement du capteur.More particularly, the sensor 10 is arranged in a hollow cylindrical envelope 56 provided at one of its longitudinal ends 56a of a plate 58 forming a shoulder and which has for example a disc or pellet shape. This plate is for example welded to the cylindrical casing 56. It will be noted that other body shapes can be envisaged without calling into question the operation of the sensor.
La plaque 58 formant épaulement est destinée à être insérée dans un aménagement prévu de façon correspondante dans la paroi 50 du contenant afin d'être montée en position affleurante par rapport à cette dernière. La plaque 58 formant épaulement peut également être assemblée sur un cylindre qui est à insérer dans la paroi 50 du contenant disposant d'un perçage (ou point de piquage) déjà existant et prévu à cet effet.The plate 58 forming the shoulder is intended to be inserted in a corresponding arrangement provided in the wall 50 of the container to be mounted flush with respect thereto. The plate 58 forming a shoulder may also be assembled on a cylinder which is to be inserted into the wall 50 of the container having a hole (or stitching point) already existing and provided for this purpose.
Cette plaque 58 est amincie dans sa partie centrale, là où le capteur est positionné, et constitue un matériau ou élément d'interface qui est au contact du fluide F par sa face externe 58a.This plate 58 is thinned in its central part, where the sensor is positioned, and is a material or interface element which is in contact with the fluid F by its outer face 58a.
On notera que la face 58a et la surface 50a peuvent être disposées à la même côte afin de ne pas introduire de perturbation dans l'écoulement. Dans ce mode de réalisation l'élément d'interface 18 du capteur des figures 1a et 1 b n'est pas présent, la plaque 58 jouant le rôle d'élément d'interface.It will be noted that the face 58a and the surface 50a can be arranged on the same side in order not to introduce a disturbance in the flow. In this embodiment, the interface element 18 of the sensor of FIGS. 1a and 1b is not present, the plate 58 acting as an interface element.
Pour augmenter au maximum l'échange thermique entre l'élément chauffant du capteur microsystème 10 et la face interne 58b de la plaque 58 un élément de transmission de chaleur 60, tel qu'une pâte thermique avec un fort coefficient de conductivité thermique, peut être utilisé et placé au contact du microsystème. Plus particulièrement, cet élément 60 est disposé sur la zone active du microsystème constituée par la quasi-totalité de sa face externe à l'exception peut être d'une faible zone périphérique (les éléments sensibles du microsystème étant plutôt disposés de façon centrée). Cet assemblage est ensuite disposé contre la face arrière ou interne 58b du matériau d'interface 58.To maximize the heat exchange between the heating element of the microsystem sensor 10 and the inner face 58b of the plate 58, a heat-transmitting element 60, such as a thermal paste with a high coefficient of thermal conductivity, can be used and placed in contact with the microsystem. More particularly, this element 60 is disposed on the active zone of the microsystem consisting of almost all of its outer face except for a small peripheral zone (the sensitive elements of the microsystem being rather centrally arranged). This assembly is then placed against the rear or internal face 58b of the interface material 58.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 8, le capteur microsystème 10 est monté sur un support 62 tel qu'une carte de circuit imprimé dont le rôle est de créer les contacts électriques nécessaires entre ce capteur microsystème et la partie du système associé qui assure l'alimentation électrique et le traitement de l'information de ce capteur. Ces contacts électriques coopèrent avec les pistes ou plots illustrés sur les figures 3 à 7 et brièvement décrits plus haut. Cette partie du système de mesure a été représentée sur les figures 1a et 1 b par les éléments 20, 26, 28 et 30 reliés au capteur par l'intermédiaire des connexions 22 et 24.Furthermore, as shown in FIG. 8, the microsystem sensor 10 is mounted on a support 62 such as a printed circuit board whose role is to create the necessary electrical contacts between this microsystem sensor and the part of the associated system which ensures power supply and information processing of this sensor. These electrical contacts cooperate with the tracks or pads shown in Figures 3 to 7 and briefly described above. This part of the measuring system has been represented in FIGS. 1a and 1b by elements 20, 26, 28 and 30 connected to the sensor via connections 22 and 24.
Afin de concentrer au maximum le flux thermique homogène et contrôlé généré par l'élément chauffant vers l'avant du capteur microsystème 10, c'est-à-dire vers l'élément de mesure et le matériau d'interface, un élément d'isolation thermique 64 supplémentaire est introduit dans le corps 54 par l'extrémité arrière 56b. Cet élément 64, tel qu'une une pâte à faible coefficient de conductivité thermique, est disposé contre la face arrière du support 62 afin de former un écran thermique additionnel à l'arrière du corps et ainsi privilégier la dissipation du flux thermique vers l'avant dudit corps. On notera toutefois que l'isolant thermique 11 des figures 1a et 1 b assure déjà une fonction satisfaisante de barrière au flux thermique en face arrière du capteur. En outre, une isolation thermique supplémentaire non représentée est également réalisée entre la plaque 58 et l'enveloppe cylindrique 56 du corps 54. Le rôle de cet isolant thermique, qui peut être constitué d'une pâte thermique isolante ou bien d'une rondelle en céramique non représentée, est de supprimer tout risque de pont thermique entre le matériau d'interface 58 et l'enveloppe 56 pendant une phase de chauffe.In order to concentrate as much as possible the homogeneous and controlled thermal flow generated by the heating element towards the front of the microsystem sensor 10, ie towards the measuring element and the interface material, an element of Additional thermal insulation 64 is introduced into the body 54 through the rear end 56b. This element 64, such as a paste with a low coefficient of thermal conductivity, is arranged against the rear face of the support 62 in order to form an additional heat shield at the rear of the body and thus favor the dissipation of the heat flow towards the before said body. It will be noted, however, that the thermal insulation 11 of FIGS. 1a and 1b already provides a satisfactory barrier function to the heat flux on the rear face of the sensor. In addition, a further thermal insulation not shown is also provided between the plate 58 and the cylindrical envelope 56 of the body 54. The role of this thermal insulation, which may consist of an insulating thermal paste or a washer Ceramic not shown, is to eliminate any risk of thermal bridge between the interface material 58 and the casing 56 during a heating phase.
La plaque 58 jouant le rôle de matériau d'interface avec le fluide est adaptée au moins pour que sa face externe 58a soit représentative de l'état de surface de la paroi 50 du contenant afin que le dépôt d'une couche d'encrassement sur la face 58a soit réalisé de façon quasi identique au dépôt d'une couche d'encrassement sur la face interne 50a de la paroi du contenant.The plate 58 acting as an interface material with the fluid is adapted at least so that its outer face 58a is representative of the surface state of the wall 50 of the container so that the deposition of a fouling layer on the face 58a is made almost identical to the deposition of a fouling layer on the inner face 50a of the wall of the container.
En effet, c'est sur la face externe 58a de cette plaque que le phénomène d'encrassement va être mis en évidence selon l'invention, étant entendu que ce phénomène se produit bien sûr à d'autres endroits de la surface interne 50a de la paroi.Indeed, it is on the outer face 58a of this plate that the phenomenon of fouling will be demonstrated according to the invention, it being understood that this phenomenon occurs of course at other locations of the inner surface 50a of Wall.
Ainsi, la détermination de l'encrassement formé sur la face 58a, détermination qui correspond soit à une mesure d'encrassement soit à une détection d'encrassement, sera particulièrement fiable compte tenu de la nature de cette face externe et également compte tenu du micro-capteur qui est particulièrement sensible et génère très peu de perturbations susceptibles de modifier le phénomène d'encrassement.Thus, the determination of fouling formed on the face 58a, determination which corresponds to either a fouling measurement or to a fouling detection, will be particularly reliable given the nature of this external face and also given the micro sensor which is particularly sensitive and generates very few disturbances likely to modify the phenomenon of fouling.
Afin que la face externe 58a soit représentative de l'état de surface de la paroi du contenant, il est préférable que cette face possède une rugosité équivalente à celle de la paroi, voire identique. Ainsi, par exemple dans le cadre d'une application agro-alimentaire, la paroi 50 peut être en acier inoxydable, par exemple de classe 316L, et la face 58a du capteur peut être réalisée de manière à posséder une rugosité de surface égale ou inférieure à 0,8μm, tout comme celle de la face 50a de la paroi.So that the outer face 58a is representative of the surface state of the wall of the container, it is preferable that this face has a roughness equivalent to that of the wall, or identical. Thus, for example in the context of an agri-food application, the wall 50 may be made of stainless steel, for example class 316L, and the face 58a of the sensor may be made to have a roughness of equal or less surface area at 0.8μm, just like that of the face 50a of the wall.
De préférence, la face externe 58a est réalisée dans un matériau de même nature que celui de la paroi du contenant. Si ce matériau n'est pas identique, il doit au moins être d'une nature compatible avec celle du matériau constitutif de la paroi. La solution la plus simple est que le matériau d'interface 58 soit réalisé dans un matériau identique à celui de la paroi du contenant.Preferably, the outer face 58a is made of a material of the same nature as that of the wall of the container. If this material is not identical, it must at least be of a nature compatible with that of the material constituting the wall. The simplest solution is that the interface material 58 is made of a material identical to that of the wall of the container.
Dans cet exemple la plaque 58, tout comme l'enveloppe cylindrique 56 sont réalisées en acier inoxydable, matériau qui est celui utilisé pour la paroi 50 et notamment sa surface interne 50a.In this example the plate 58, as the cylindrical casing 56 are made of stainless steel, material that is the one used for the wall 50 and in particular its inner surface 50a.
La plaque 58 est un conducteur thermique qui présente une résistance thermique inférieure ou égale à 10°C/W afin de conférer au capteur une bonne sensibilité et un rapport signal sur bruit élevé.The plate 58 is a thermal conductor which has a thermal resistance of less than or equal to 10 ° C / W in order to give the sensor good sensitivity and a high signal-to-noise ratio.
Le matériau utilisé et son épaisseur sont ainsi choisis pour offrir au flux thermique une très faible résistance thermique. L'épaisseur est par exemple de 300 μm.The material used and its thickness are thus chosen to offer the heat flow a very low thermal resistance. The thickness is, for example, 300 μm.
Il convient de noter que le capteur selon l'invention peut ne comporter qu'un seul élément de mesure de température.It should be noted that the sensor according to the invention may comprise only one element for measuring temperature.
La température du fluide, et plus généralement du process industriel faisant intervenir le contenant, n'est généralement pas connue.The temperature of the fluid, and more generally of the industrial process involving the container, is generally not known.
Cela n'a pour autant aucune incidence sur le procédé de mesure et/ou de détection de l'encrassement formé à l'intérieur du contenant comme on le verra par la suite.This does not affect the measurement method and / or detection of fouling formed inside the container as will be seen later.
Le procédé permet de s'affranchir d'éventuelles variations de cette température au cours du temps.The method makes it possible to overcome any variations in this temperature over time.
On notera toutefois que le capteur microsystème selon l'invention peut comporter plus d'un élément de mesure de température selon les applications envisagées. De même, il peut également comporter plusieurs éléments chauffants en coopération avec un unique élément de mesure de température ou bien avec plusieurs de ces éléments.It will be noted, however, that the microsystem sensor according to the invention may comprise more than one temperature measuring element according to the applications envisaged. Similarly, it may also include several heating elements in cooperation with a single temperature measuring element or with several of these elements.
La figure 9 illustre de façon schématique l'installation directe d'un capteur microsystème tel que celui des figures 1a, 1 b, 2f et 2i dans une paroi 50 d'un contenant 52.FIG. 9 schematically illustrates the direct installation of a microsystem sensor such as that of FIGS. 1a, 1b, 2f and 2i in a wall 50 of a container 52.
Dans cet exemple de réalisation le capteur 10 est en contact direct avec le fluide F par la face externe 18a de son élément d'interface 18 au lieu d'avoir recours au matériau d'interface 58 de la figure 8. La sensibilité du capteur ainsi agencé est donc accrue, fournissant par là-même de meilleurs résultats que dans le cas de la figure 8.In this embodiment, the sensor 10 is in direct contact with the fluid F via the external face 18a of its interface element 18 instead of using the interface material 58 of FIG. 8. The sensitivity of the sensor thus arranged is thus increased, thereby providing better results than in the case of FIG. 8.
On notera que le capteur 10 n'est pas tout à fait monté de façon affleurante par rapport à la paroi mais est très légèrement en retrait par rapport à celle-ci. Ce retrait a été volontairement exagéré pour l'illustrer sur les figures. En pratique, il est par exemple de quelques centaines de microns, par exemple deNote that the sensor 10 is not quite flush mounted relative to the wall but is very slightly recessed relative thereto. This withdrawal was intentionally exaggerated to illustrate it in the figures. In practice, it is for example a few hundred microns, for example
500 μm.500 μm.
Les éléments de la figure 9 qui sont inchangés par rapport à la figure 8 conservent les mêmes références et ne seront pas à nouveau décrits. Un joint d'étanchéité 61 est prévu à la périphérie de la face externe du capteur pour assurer l'étanchéité du montage.The elements of FIG. 9 which are unchanged with respect to FIG. 8 retain the same references and will not be described again. A seal 61 is provided at the periphery of the outer face of the sensor to seal the mounting.
Par ailleurs, toutes les caractéristiques et avantages décrits ci-dessus en référence à la figure 8, notamment à propos de l'élément d'interface 58 (état de surface de la face externe 58a, propriétés conductrices) s'appliquent ici à l'élément d'interface 18a du capteur.Moreover, all the features and advantages described above with reference to FIG. 8, in particular with regard to the interface element 58 (surface state of the external face 58a, conductive properties), apply here to the interface element 18a of the sensor.
On va maintenant décrire en référence aux figures 10 et 11 le procédé de mesure selon un premier mode de réalisation de l'invention qui s'applique aussi bien à la configuration de la figure 8 qu'à celle de la figure 9.The measuring method according to a first embodiment of the invention, which applies to both the configuration of FIG. 8 and that of FIG. 9, will now be described with reference to FIGS. 10 and 11.
Ce procédé permet de mesurer et/ou de détecter l'encrassement qui se forme sur la face externe 58a du matériau d'interface 58 de la figure 8 ou sur la face externe 18a de l'élément d'interface 18 de la figure 9.This method makes it possible to measure and / or detect the fouling that forms on the outer face 58a of the interface material 58 of FIG. 8 or on the outer face 18a of the interface element 18 of FIG. 9.
On entend par « encrassement » tout dépôt adhérent se formant à la surface de l'élément considéré à partir de corps qui sont dans le fluide de manière temporaire ou permanente (encrassement de nature organique, tel un biofilm, ou inorganique, tel un entartrage)."Clogging" is understood to mean any adherent deposit forming on the surface of the element under consideration from bodies that are in the fluid temporarily or permanently (fouling of organic nature, such as a biofilm, or inorganic, such as scaling). .
On notera que le procédé selon l'invention permet d'effectuer la mesure et/ou la détection d'encrassement sur site, en ligne et en continu, et quasiment en temps réel.It will be noted that the method according to the invention makes it possible to measure and / or detect fouling on site, online and continuously, and almost in real time.
Il n'est donc pas nécessaire d'effectuer de prélèvement sur site et d'analyse ultérieure des échantillons prélevés aux fins de mesure et/ou de détection d'encrassement. Le procédé selon un premier mode de réalisation prévoit d'alterner des phases de commande de diffusion d'un flux thermique par le ou les éléments chauffants 14 du capteur et de non diffusion d'un flux thermique sur une durée donnée. Par ailleurs, le procédé prévoit pendant cette durée de mesurer en continu la température de surface de l'élément d'interface au contact du milieu de mesure grâce à l'élément de mesure de température (ou seulement la température locale de l'endroit où est positionné l'élément de mesure de température en l'absence d'élément d'interface). On peut par exemple effectuer cette alternance de phases de chauffe et de non chauffe du capteur tout au long du déroulement d'un process industriel, ou seulement lors de certaines étapes de celui-ci.It is therefore not necessary to carry out on-site sampling and subsequent analysis of samples taken for measurement and / or detection of fouling. The method according to a first embodiment provides for alternating phases for controlling the diffusion of a heat flux by the heating element (s) 14 of the sensor and non-diffusion of a heat flux over a given period of time. Furthermore, the method provides during this time to continuously measure the surface temperature of the interface element in contact with the measuring medium by means of the temperature measuring element (or only the local temperature of the place where is positioned the temperature measuring element in the absence of interface element). For example, this alternation of heating and non-heating phases of the sensor can be performed throughout the course of an industrial process, or only during certain stages thereof.
La fonction de mesure d'encrassement permet de connaître à tout instant l'épaisseur de la couche d'encrassement formée à la surface du matériau d'interface ou directement du capteur et qui reproduit de manière très fiable, l'encrassement formé sur la surface intérieure du contenant dans lequel est installé le capteur.The fouling measurement function makes it possible to know at any time the thickness of the fouling layer formed on the surface of the interface material or directly of the sensor and which reproduces in a very reliable manner, the fouling formed on the surface. inside the container in which the sensor is installed.
Par ailleurs, lorsque le capteur est utilisé pour remplir une fonction de détection, il peut être utilisé pour déclencher un signal d'alarme en cas de détection d'une couche d'encrassement en formation ou dépassant un seuil prédéterminé.Moreover, when the sensor is used to fulfill a detection function, it can be used to trigger an alarm signal in the event of detection of a formation fouling layer or exceeding a predetermined threshold.
Comme déjà exposé ci-dessus, le dispositif 20 génère une puissance électrique qui est transmise à l'élément chauffant, par exemple sous la forme d'un signal de modulation de puissance qui est, par exemple, de type alternatif. Ce signal est de préférence stationnaire, c'est-à-dire qu'il définit des états stables parfaitement déterminés durant lesquels soit une puissance électrique déterminée est fournie à l'élément chauffant, soit aucune puissance n'est fournie à cet élément.As already explained above, the device 20 generates an electric power which is transmitted to the heating element, for example in the form of a power modulation signal which is, for example, of the alternative type. This signal is preferably stationary, that is to say that it defines perfectly determined stable states during which either a given electrical power is supplied to the heating element, or no power is supplied to this element.
La figure 10 illustre un signal alternatif stationnaire réalisé sous la forme de créneaux.Figure 10 illustrates a stationary alternating signal in the form of slots.
Plus particulièrement, la figure 10 illustre, d'une part, en partie basse le signal de puissance en forme de créneaux S qui est appliqué à l'élément chauffant et, d'autre part, en partie haute, la température mesurée par l'élément de mesure durant chacune des phases de chauffe et de non chauffe.More particularly, FIG. 10 illustrates, on the one hand, in the lower part the crenellated power signal S which is applied to the element heating and, on the other hand, in the upper part, the temperature measured by the measuring element during each of the heating and non-heating phases.
Les différentes mesures de températures montrent que celles-ci restent sensiblement constantes (autour d'une valeur Ti), ce qui traduit un état non encrassé du capteur et donc de la paroi interne du contenant.The various temperature measurements show that they remain substantially constant (around a value Ti), which reflects a non-fouled condition of the sensor and therefore of the inner wall of the container.
La température T1 correspond à la température du fluide.The temperature T1 corresponds to the temperature of the fluid.
Lorsque l'état de surface est propre, le flux thermique produit par l'élément chauffant est transféré à l'élément de mesure et à l'élément d'interface, puis diffusé dans le milieu de mesure et la température mesurée par l'élément de mesure reste sensiblement constante et égale à la température du milieu.When the surface condition is clean, the heat flux produced by the heating element is transferred to the measuring element and the interface element, then diffused into the measuring medium and the temperature measured by the element. measurement remains substantially constant and equal to the temperature of the medium.
En revanche, lorsqu'un encrassement se forme sur la face externe de l'élément d'interface et donc sur la face interne de la paroi du contenant, le flux thermique généré par l'élément chauffant va provoquer une élévation de température au niveau de l'élément d'interface ou du matériau d'interface. En effet, la couche d'encrassement en cours de formation agit comme un isolant thermique (barrière thermique) qui réduit ainsi les échanges thermiques avec le milieu de mesure et donc la dissipation du flux.In contrast, when fouling is formed on the outer face of the interface element and therefore on the inner face of the wall of the container, the heat flux generated by the heating element will cause a rise in temperature at the level of the interface element or interface material. Indeed, the fouling layer being formed acts as a thermal insulator (thermal barrier) which thus reduces the heat exchange with the measuring medium and thus the dissipation of the flow.
L'écart de température qui apparaît va être pris en compte, comme on le verra par la suite, pour déterminer la valeur de l'épaisseur d'encrassement. Ce phénomène se traduit sur la figure 11 par l'apparition de paliers d'augmentation de température correspondant aux parties du signal S en créneaux où une puissance est injectée à l'élément chauffant.The temperature difference that appears will be taken into account, as will be seen later, to determine the value of the fouling thickness. This phenomenon is reflected in FIG. 11 by the appearance of temperature increase steps corresponding to the portions of the signal S in slots where power is injected into the heating element.
L'écart de température entre la température mesurée sur le palier (T2) et la température mesurée en l'absence d'encrassement (Ti) est représentatif de l'encrassement formé à l'instant correspondant aux mesures effectuées et, plus particulièrement de l'épaisseur de la couche d'encrassement.The difference in temperature between the temperature measured on the bearing (T 2 ) and the temperature measured in the absence of fouling (Ti) is representative of the fouling formed at the instant corresponding to the measurements made and, more particularly, of the the thickness of the fouling layer.
Cette épaisseur est obtenue par des formules bien connues de l'homme de l'art et qui dépendent de la configuration géométrique du capteur, à savoir une géométrie plane pour le capteur 10 de la figure 1. Plus généralement, l'épaisseur de la couche d'encrassement est donnée par l'équation suivante : où :This thickness is obtained by formulas well known to those skilled in the art and which depend on the geometric configuration of the sensor, namely a planar geometry for the sensor 10 of FIG. 1. More generally, the thickness of the layer fouling is given by the following equation: or :
P désigne, en W, la puissance électrique fournie à l'élément chauffant et qui correspond sensiblement à la puissance générée par le flux thermique, h désigne, en WIm2IK, le coefficient de transfert thermique convectif,P denotes, in W, the electrical power supplied to the heating element and which corresponds substantially to the power generated by the heat flux, h denotes, in WIm 2 IK, the convective thermal transfer coefficient,
D désigne, en m, le diamètre de l'élément chauffant quand celui-ci est de forme cylindrique ou, en équivalence de surface, le côté de l'élément chauffant quand celui-ci est de forme carré,D denotes, in m, the diameter of the heating element when it is of cylindrical shape or, in surface equivalence, the side of the heating element when it is square,
Ti et T2 désignent respectivement, en K, la température mesurée en phase de non-chauffe et de chauffe, λ désigne, en W/m/K, le coefficient de conductivité thermique de la couche d'encrassement qui se dépose sur la surface du capteur, et, enfin, e désigne, en m, l'épaisseur mesurée de la couche d'encrassement qui se dépose sur la surface du capteur. On notera que plus l'épaisseur du dépôt formé à la surface du capteur augmente, plus l'élévation de température sera importante pour une puissance donnée.Ti and T 2 respectively denote, in K, the temperature measured in the non-heating and heating phase, λ denotes, in W / m / K, the coefficient of thermal conductivity of the fouling layer which is deposited on the surface of the sensor, and, finally, e denotes, in m, the measured thickness of the fouling layer which is deposited on the surface of the sensor. Note that the greater the thickness of the deposit formed on the surface of the sensor increases, the higher the temperature rise will be important for a given power.
En pratique, le procédé prévoit d'imposer une consigne de chauffe en puissance (exemple : 10 mW) en imposant un courant électrique dont l'intensité peut varier de 0,1 à 10 mA, de déterminer l'écart de température qui en résulte (augmentation), puis de calculer l'épaisseur de la couche d'encrassement.In practice, the method provides for imposing a power heating setpoint (example: 10 mW) by imposing an electric current whose intensity can vary from 0.1 to 10 mA, to determine the temperature difference that results (increase), then calculate the thickness of the fouling layer.
Il convient de noter que l'on peut être amené à effectuer une compensation en courant en fonction d'éventuelles variations de la température du fluide par exemple grâce à la connaissance de la température du fluide obtenue lors des phases de non chauffe. On détermine ainsi le courant devant être injecté dans l'élément chauffant pour respecter la consigne de puissance.It should be noted that it may be necessary to perform current compensation as a function of possible variations in the fluid temperature, for example by knowing the temperature of the fluid obtained during the non-heating phases. This determines the current to be injected into the heating element to meet the power setting.
On notera que la durée de la période de chauffe, varie de plusieurs secondes à plusieurs minutes, comme représenté sur les figures 10 et 11 où le temps écoulé est exprimé en secondes. La durée de la période de chauffe n'est pas nécessairement égale à la durée de non chauffe mais, pour des raisons pratiques de mise en œuvre de l'invention, des périodes temporelles égales de chauffe et de non-chauffe seront préférées. De plus, la durée de la période de chauffe et/ou de non chauffe peut varier au cours du temps afin de s'adapter dynamiquement aux conditions opératoires du processus industriel mais, en pratique, une durée optimale sera déterminée, fixée et maintenue selon l'application et le processus industriel.Note that the duration of the heating period, varies from several seconds to several minutes, as shown in Figures 10 and 11 where the elapsed time is expressed in seconds. The duration of the heating period is not necessarily equal to the duration of the non-heating but, for practical reasons of implementation of the invention, equal time periods of heating and non-heating will be preferred. In addition, the duration of the heating and / or non-heating period may vary over time in order to adapt dynamically to the operating conditions of the industrial process, but in practice an optimum duration will be determined, set and maintained according to the application and the industrial process.
D'un point de vue pratique, l'écart de température T2-T1 est déterminé en utilisant des algorithmes de régression linéaire et/ou non linéaires entre deux périodes de non chauffe qui encadrent une période de chauffe.From a practical point of view, the temperature difference T2-T1 is determined using linear and / or nonlinear regression algorithms between two non-heating periods that frame a heating period.
On notera qu'une limite supérieure de puissance d'alimentation peut être prévue dans la phase de régulation, afin qu'en cas de non encrassement, la puissance nécessaire, pour générer l'écart de température souhaité, ne dépasse pas la limite physique de puissance du système électronique.It should be noted that an upper limit of power supply can be provided in the control phase, so that in case of non-fouling, the power required, to generate the desired temperature difference, does not exceed the physical limit of power of the electronic system.
On notera que la simple détection d'un écart de température significatif, tel que par exemple un écart de 1 degré Celsius, fournit une information importante puisqu'elle est représentative d'un encrassement formé à l'intérieur d'un contenant renfermant un fluide.Note that the simple detection of a significant temperature difference, such as for example a difference of 1 degree Celsius, provides important information since it is representative of a fouling formed inside a container containing a fluid .
Une telle information peut par exemple donner lieu à l'envoi d'un signal d'alarme en vue de prévenir un opérateur ou du personnel de maintenance de l'installation. Cette fonction de détection peut bien entendu être couplée à la fonction de mesure d'encrassement dans la but de pouvoir également donner une information quantitative sur l'épaisseur de la couche d'encrassement ainsi formée.Such information may for example give rise to the sending of an alarm signal to prevent an operator or maintenance personnel of the installation. This detection function can of course be coupled to the fouling measurement function in order to also be able to give quantitative information on the thickness of the fouling layer thus formed.
Grâce aux procédés et technologies microsystèmes, l'élément de mesure de température présente une très grande sensibilité et précision en température qui est par exemple meilleure que 0,05°C.Thanks to micro-systems processes and technologies, the temperature measuring element has a very high sensitivity and temperature accuracy which is, for example, better than 0.05 ° C.
Par ailleurs, ces procédés et technologies permettent de concevoir un capteur présentant les caractéristiques et avantages suivants : faibles dimensions (proximité des éléments fonctionnels les uns par rapport aux autres), - faible consommation, capacité à générer de faibles flux de chaleur de l'élément chauffant, grande sensibilité de l'élément de mesure, temps de réponse très courts.Moreover, these methods and technologies make it possible to design a sensor having the following characteristics and advantages: small dimensions (proximity of the functional elements to each other), - low consumption, ability to generate low heat fluxes of the element heated high sensitivity of the measuring element, very short response times.
Il devient ainsi possible de mesurer des épaisseurs d'encrassement avec un débit du fluide nul et avec une sensibilité de mesure d'encrassement voisine de 1 μm. On notera d'ailleurs que le capteur illustré à la figure 9 est bien plus sensible que celui de la figure 8 puisque directement en contact avec le fluideIt thus becomes possible to measure fouling thicknesses with a zero fluid flow and with a fouling measurement sensitivity close to 1 μm. Note also that the sensor shown in Figure 9 is much more sensitive than that of Figure 8 since directly in contact with the fluid
La figure 12 représente une courbe de mesure d'épaisseur d'encrassement obtenue en réalisant successivement, au cours du temps, des dépôts sur la surface active extérieure d'un capteur selon l'invention, et en utilisant un spray de résine polymère dont la conductivité thermique est connue.FIG. 12 represents a measurement curve of fouling thickness obtained by successively realizing, over time, deposits on the external active surface of a sensor according to the invention, and by using a polymer resin spray whose thermal conductivity is known.
Cette courbe a été obtenue en laboratoire mais dans des conditions opératoires proches de celles d'applications industrielles telles qu'un circuit de refroidissement par exemple.This curve was obtained in the laboratory but under operating conditions close to those of industrial applications such as a cooling circuit for example.
Le capteur utilisé est celui représenté sur les figures 2f et 9 avec l'agencement des éléments chauffant et de mesure de la figure 5a.The sensor used is that shown in Figures 2f and 9 with the arrangement of the heating and measuring elements of Figure 5a.
L'élément chauffant (couche 14) est formé d'une bicouche Ti/Pt avec 500Â d'épaisseur pour la première couche et 2000Â pour la deuxième. La couche d'isolation 44 est en Si3N4.The heating element (layer 14) is formed of a Ti / Pt bilayer with 500Â thickness for the first layer and 2000Â for the second. The insulation layer 44 is Si3N4.
L'élément de mesure (couche 16) est formé d'une bicouche Ti/Pt avec 500Â d'épaisseur pour la première couche et 3000Â pour la deuxième. La couche d'isolation 46 est en Si3N4.The measuring element (layer 16) is formed of a Ti / Pt bilayer with 500Â thickness for the first layer and 3000Â for the second one. Insulation layer 46 is Si3N4.
L'élément d'interface (couche 18) est formé d'une bicouche Ti/Au avec 500Â d'épaisseur pour la première couche et 1000Â pour la deuxième.The interface element (layer 18) is formed of a Ti / Au bilayer with 500Â thickness for the first layer and 1000Â for the second.
La procédure expérimentale consiste à réaliser une première série de mesures avec le capteur sans aucun dépôt à sa surface (phase de calibration).The experimental procedure consists in carrying out a first series of measurements with the sensor without any deposit on its surface (calibration phase).
Ensuite, un premier dépôt de résine polymère est effectué sur la surface de la couche 18 du capteur, un recuit à 100°C pendant 60s est réalisé pour solidifier la résine et une série de mesures d'épaisseur sont effectuées avec le capteur connecté à son système électronique de mesure. Le premier palier de la courbe est ainsi obtenu.Then, a first polymer resin deposit is made on the surface of the sensor layer 18, annealing at 100 ° C for 60s is performed to solidify the resin and a series of thickness measurements are made with the sensor connected to its sensor. electronic measuring system. The first step of the curve is thus obtained.
On réalise ainsi quatre autres dépôts successifs avec une mesure d'épaisseur à chaque fois, donnant ainsi lieu à quatre autres paliers. On notera que les dépôts successifs ne suivent pas une croissance linéaire en raison des recuits successifs subis par les couches formées à l'étape précédente. On constate que les épaisseurs mesurées sont de l'ordre de quelques micromètres, ce qui montre la grande sensibilité du capteur. Les capteurs des modes de réalisation précédents peuvent être utilisés suivant deux méthodes de fonctionnement dont la première a déjà été présentée ci-dessus et qui vont être reprises ci-après de façon plus générale.Four other successive deposits are thus made with a measurement of thickness each time, thus giving rise to four other levels. It will be noted that the successive deposits do not follow a linear growth because of the successive anneals suffered by the layers formed in the previous step. It is found that the measured thicknesses are of the order of a few micrometers, which shows the high sensitivity of the sensor. The sensors of the preceding embodiments can be used according to two methods of operation, the first of which has already been presented above and which will be repeated hereinafter more generally.
Une première méthode (premier mode de réalisation du procédé selon l'invention) consiste à utiliser des créneaux temporels périodiques tels que présentés en Figures 10 et 11 (typiquement de 30s à plusieurs minutes) afin de procéder à des chauffes régulières de l'élément chauffant et des périodes de repos. La température étant mesurée en continu et fournie par l'unité 26, cette température est la température du fluide en période de repos (identifiée par T1 en Figures 10 et 11 ). En période de chauffe, cette température mesurée se stabilise à la valeur T2 qui est la température de peau (ou température pariétale) résultant du transfert de chaleur de l'élément chauffant vers le milieu de mesure à travers l'élément d'interface (ou directement lorsqu'il n'y a pas d'élément d'interface) et, potentiellement, à travers une couche d'encrassement. En l'absence d'encrassement, la température pariétale (en phase de chauffe) est égale à la température du fluide (aux erreurs de mesure près et selon la résistance thermique générée par l'épaisseur de l'élément d'interface 18 lorsqu'il est présent) car l'intégralité du flux thermique est dissipée dans le milieu de mesure. En présence d'encrassement, une résistance thermique supplémentaire vient s'opposer au transfert de chaleur vers le milieu de mesure et la température de peau (T2) prend une valeur supérieure à T1.A first method (first embodiment of the method according to the invention) consists in using periodic time slots as shown in FIGS. 10 and 11 (typically from 30 s to several minutes) in order to carry out regular heating of the heating element. and rest periods. The temperature being measured continuously and supplied by the unit 26, this temperature is the temperature of the fluid during the rest period (identified by T1 in FIGS. 10 and 11). During the heating period, this measured temperature stabilizes at the value T2 which is the skin temperature (or parietal temperature) resulting from the heat transfer from the heating element to the measurement medium through the interface element (or directly when there is no interface element) and, potentially, through a fouling layer. In the absence of fouling, the parietal temperature (in the heating phase) is equal to the fluid temperature (to the measurement errors and according to the thermal resistance generated by the thickness of the interface element 18 when it is present) because the entire heat flux is dissipated in the measuring medium. In the presence of fouling, an additional thermal resistance comes to oppose the heat transfer to the measuring medium and the skin temperature (T2) takes a value greater than T1.
Ainsi, régulièrement, on connait la température du fluide (T1 ) et la température de peau {12). Pour déterminer l'épaisseur de l'encrassement, on applique les formules et équations présentées ci-dessus afin de fournir une information à l'afficheur 28 (typiquement, l'épaisseur d'encrassement et la température du fluide) et/ou au transmetteur 30 afin de délivrer un signal standardisé (typiquement, 4-2OmA) pour s'intégrer à une supervision ou à un enregistreur de signaux.Thus, regularly, the fluid temperature (T1) and the skin temperature {12) are known. To determine the fouling thickness, the formulas and equations presented above are applied to provide information to the display 28 (typically the fouling thickness and the fluid temperature) and / or to the transmitter 30 in order to deliver a signal standardized (typically 4-2OmA) to integrate with a supervision or signal recorder.
Ainsi, avantageusement, selon cette méthode, on évalue de manière continue l'épaisseur d'encrassement se formant sur la surface du dispositif de mesure (capteur) afin de délivrer une information à l'utilisateur sur l'état de propreté.Thus, advantageously, according to this method, the fouling thickness forming on the surface of the measuring device (sensor) is continuously evaluated in order to deliver information to the user on the state of cleanliness.
Cette méthode ne nécessite ni de calibration préliminaire du dispositif de mesure selon les conditions d'utilisation (débit ou nature du fluide), ni de traitement a posteriori des informations pour déterminer l'épaisseur d'encrassement. D'autre part, des variations de conditions opératoires (dans une certaine limite, comme la température, le débit, la pression) n'influencent pas la mesure d'encrassement (ceci confère à la méthode une grande fiabilité, et permet une utilisation en continu et une application en milieux industriels) puisque le dispositif recalcule régulièrement la température du fluide. Enfin, si l'on connaît a priori la nature de l'encrassement se formant et a fortiori sa conduction thermique, alors le système peut délivrer un signal d'épaisseur d'encrassement en unités μm ou mm ; sinon, le système se fonde sur une valeur par défaut de conduction thermique de la couche d'encrassement pouvant se former et le signal de mesure est, au final, un indicateur selon une unité arbitraire.This method does not require any preliminary calibration of the measuring device according to the conditions of use (flow rate or nature of the fluid), nor any subsequent treatment of the information to determine the fouling thickness. On the other hand, variations in operating conditions (to a certain extent, such as temperature, flow rate, pressure) do not influence the measurement of fouling (this confers on the method a high reliability, and allows a use in continuous and application in industrial environments) since the device regularly recalculates the temperature of the fluid. Finally, if we know a priori the nature of fouling forming and a fortiori its thermal conduction, then the system can deliver a fouling thickness signal in units of μm or mm; otherwise, the system relies on a default value of thermal conduction of the fouling layer that can be formed and the measurement signal is ultimately an indicator according to an arbitrary unit.
Selon une deuxième méthode (deuxième mode de réalisation du procédé de mesure selon l'invention), au lieu d'utiliser des cycles répétés à l'infini de phases de chauffe et de non-chauffe pour connaître la température du fluide (obtenue en phase de non-chauffe), on peut procéder par chauffe constante à condition de :According to a second method (second embodiment of the measuring method according to the invention), instead of using repeated cycles at infinite heating and non-heating phases to know the temperature of the fluid (obtained in phase of non-heating), it is possible to proceed by constant heating provided:
- Soit se situer dans un cas applicatif où la température ne varie pas, ou alors ne varie pas quand on souhaite réaliser les mesures, auquel cas la température est connue et peut être connue de l'unité 26 (T1 est ainsi fixée),- Or be in an application case where the temperature does not vary, or does not vary when it is desired to carry out the measurements, in which case the temperature is known and can be known from the unit 26 (T1 is thus fixed),
- Soit la température est variable mais on dispose d'autres moyens accessibles pour connaître cette température (par le biais d'un deuxième capteur de température déjà présent dont l'information parvient à l'unité 26 ou facilement dérivable par l'homme de l'art dans le dispositif existant), auquel cas la température T1 est fournie en continu.- Either the temperature is variable but there are other means available to know this temperature (through a second temperature sensor already present whose information reaches the unit 26 or easily derivable by those skilled in the art in the existing device), in which case the temperature T1 is supplied continuously.
La chauffe constante du dispositif permet d'obtenir une information plus dynamique de l'épaisseur d'encrassement, à partir de la différence T2-T1 , soit une information quasiment en temps réel au regard des cinétiques de formation et de disparition par traitement des encrassements (typiquement, inférieure à 0,5s).The constant heating of the device makes it possible to obtain a more dynamic information of the fouling thickness, from the difference T2-T1, or a quasi-real-time information with regard to the kinetics of formation and disappearance by treatment of the fouling. (typically less than 0.5s).
Ainsi, ce mode de fonctionnement permet de suivre des phénomènes rapides de croissance ou de décroissance d'encrassement tels que le suivi des phases de nettoyage en industrie agro-alimentaire par exemple. Cela est donc utile pour optimiser ces phases de nettoyage (souvent longues et toujours coûteuses) sachant qu'aucun dispositif actuel (ni aucune méthode globale) ne peut suivre en temps réel l'efficacité de ces nettoyages.Thus, this mode of operation makes it possible to follow rapid phenomena of growth or decay of fouling, such as the monitoring of cleaning phases in the food industry, for example. This is therefore useful for optimizing these cleaning phases (often long and always expensive) knowing that no current device (nor any global method) can follow in real time the effectiveness of these cleanings.
On notera que la première méthode pourrait toutefois être utilisée pour suivre des phases de nettoyage dans des industries où la contrainte de temps est moins cruciale. It should be noted that the first method could however be used to follow clean-up phases in industries where the time constraint is less crucial.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur (10 ; 34) de mesure et/ou de détection d'un encrassement se formant directement ou indirectement sur une face dite avant du capteur, caractérisé en ce qu'il comprend sous la forme d'une pluralité de couches superposées :1. Sensor (10; 34) for measuring and / or detecting a fouling forming directly or indirectly on a so-called front face of the sensor, characterized in that it comprises in the form of a plurality of superposed layers:
- au moins un élément chauffant (14) qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé dont la puissance thermique est sensiblement inférieure à 200 mW, - un isolant thermique (11 ) disposé du côté opposé à la face avant du capteur pour empêcher la dissipation du flux thermique dudit côté opposé,- At least one heating element (14) which is able to diffuse, on command, a controlled homogeneous heat flow whose thermal power is substantially less than 200 mW, - a thermal insulator (11) disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent heat flow dissipation of said opposite side,
- au moins un élément de mesure de température (16) qui est placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant et qui offre une précision de mesure de température meilleure que 0,1 °C, - un substrat (12 ; 42) sur lequel sont rapportées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température.at least one temperature measuring element (16) which is placed in the homogeneous heat flux diffused by said at least one heating element and which offers a temperature measurement accuracy better than 0.1 ° C., - a substrate (12) 42) on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element.
2. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit au moins un élément de mesure de température possède une surface dont la taille est au moins sensiblement inférieure à 2 % de celle de la surface active dudit au moins un élément chauffant.2. Sensor according to claim 1, characterized in that said at least one temperature measuring element has a surface whose size is at least substantially less than 2% of that of the active surface of said at least one heating element.
3. Capteur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la surface active dudit au moins un élément chauffant a une taille inférieure ou égale à 25 mm2. 3. Sensor according to one of claims 1 to 2, characterized in that the active surface of said at least one heating element has a size less than or equal to 25 mm 2 .
4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la surface active dudit au moins un élément de mesure de température a une taille inférieure ou égale à 0,49 mm2.4. Sensor according to one of claims 1 to 2, characterized in that the active surface of said at least one temperature measuring element has a size less than or equal to 0.49 mm 2 .
5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un élément chauffant a une taille inférieure ou égale à 25 mm2. 5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that said at least one heating element has a size less than or equal to 25 mm 2 .
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température sont chacun des résistances en Platine. 6. Sensor according to claim 5, characterized in that said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are each platinum resistors.
7. Capteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément d'interface conducteur thermique (18 ; 58) ayant deux faces opposées, l'une des faces, dite intérieure étant orientée vers ledit au moins un élément de mesure et l'autre face, dite extérieure, étant destinée à être en contact avec le fluide.7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises at least one thermal conductive interface element (18; 58) having two opposite faces, one of the faces, said inner being oriented towards said at least one measuring element and the other face, said external, being intended to be in contact with the fluid.
8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un élément d'interface présente une résistance thermique inférieure ou égale à 10°C/W.8. Sensor according to claim 7, characterized in that said at least one interface element has a thermal resistance less than or equal to 10 ° C / W.
9. Capteur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit au moins un élément d'interface est en acier inoxydable.9. Sensor according to claim 7 or 8, characterized in that said at least one interface element is made of stainless steel.
10. Capteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le substrat possède une première et une deuxième faces opposées, l'isolant thermique (11 ) étant en vis-à-vis de la première face tandis que la couche dudit au moins un élément chauffant est en vis-à-vis de la deuxième face, la couche dudit au moins un élément de mesure de température étant superposée à la couche dudit au moins un élément chauffant.10. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the substrate has a first and a second opposite faces, the thermal insulator (11) being vis-à-vis the first face while the layer said at least one heating element is opposite the second face, the layer of said at least one temperature measuring element being superimposed on the layer of said at least one heating element.
11. Capteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le substrat possède une première et une deuxième faces opposées, l'isolant thermique (11 ) étant en vis-à-vis de la première face, la couche dudit au moins un élément chauffant étant disposée entre l'isolant thermique et la première face du substrat, la couche dudit au moins un élément de mesure de température étant disposée en vis-à-vis de la deuxième face du substrat.11. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the substrate has a first and a second opposite faces, the thermal insulator (11) being vis-à-vis the first face, the layer of said at least one heating element being disposed between the thermal insulator and the first face of the substrate, the layer of said at least one temperature measuring element being arranged opposite the second face of the substrate.
12. Système de mesure ou de détection d'un encrassement formé directement ou indirectement sur une face avant d'un capteur qui est exposée à un fluide, le capteur comprenant sous la forme de couches superposées :A system for measuring or detecting fouling formed directly or indirectly on a front face of a sensor that is exposed to a fluid, the sensor comprising in the form of superposed layers:
- au moins un élément chauffant (14) qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé,- At least one heating element (14) which is able to diffuse, on command, a controlled homogeneous heat flow,
- un isolant thermique disposé du côté opposé à la face avant du capteur pour empêcher la dissipation du flux thermique dudit côté opposé, - au moins un élément de mesure de température (16) qui est placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant, - un substrat (12, 42) sur lequel sont rapportées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température, le système comprenant :a thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent the dissipation of the thermal flux of said opposite side, at least one temperature measuring element which is placed in the homogeneous heat flow diffused by the said at least one a heating element, a substrate (12, 42) on which are reported the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element, the system comprising:
- des moyens de détermination d'un écart de température entre, d'une part, la température pariétale mesurée par ledit au moins un élément de mesure de température lorsque ledit au moins un élément chauffant diffuse un flux thermique et, d'autre part, la température du fluide,means for determining a temperature difference between, on the one hand, the parietal temperature measured by said at least one temperature measuring element when said at least one heating element diffuses a heat flow and, on the other hand, the temperature of the fluid,
-des moyens de calcul de l'épaisseur de l'encrassement formé sur la face avant du capteur exposée au fluide à partir de l'écart de température déterminé.means for calculating the thickness of the fouling formed on the front face of the sensor exposed to the fluid from the determined temperature difference.
13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit au moins un élément chauffant génère une puissance thermique inférieure à 200 mW et ledit au moins un élément de mesure de température offre une précision de mesure meilleure que 0,1 °C. 13. System according to claim 12, characterized in that said at least one heating element generates a thermal power of less than 200 mW and said at least one temperature measuring element offers a measurement accuracy better than 0.1 ° C.
14. Procédé de mesure et/ou de détection de l'encrassement formé sur la face avant d'un capteur qui est exposée à un fluide lorsque celui-ci est installé dans une paroi d'un contenant renfermant le fluide, le capteur comprenant sous la forme de couches superposées :14. A method for measuring and / or detecting the fouling formed on the front face of a sensor which is exposed to a fluid when it is installed in a wall of a container containing the fluid, the sensor comprising under the shape of superimposed layers:
- au moins un élément chauffant (14) qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé,- At least one heating element (14) which is able to diffuse, on command, a controlled homogeneous heat flow,
- un isolant thermique disposé du côté opposé à la face avant du capteur pour empêcher la dissipation du flux thermique dudit côté opposé,a thermal insulator disposed on the opposite side to the front face of the sensor to prevent dissipation of the heat flow of said opposite side,
- au moins un élément de mesure de température (16) qui est placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant, - un substrat (12, 42) sur lequel sont rapportées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température.at least one temperature measuring element (16) which is placed in the homogeneous thermal flux diffused by said at least one heating element; a substrate (12, 42) on which the layers of said at least one heating element are at least one temperature measuring element.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :15. The method of claim 14, characterized in that it comprises the following steps:
- détermination d'un écart de température entre, d'une part, la température pariétale mesurée par ledit au moins un élément de mesure de température lorsque ledit au moins un élément chauffant diffuse un flux thermique, et d'autre part, la température du fluide, - calcul de l'épaisseur de l'encrassement formé sur la face avant du capteur exposée au fluide à partir de l'écart de température déterminé.determining a difference in temperature between, on the one hand, the parietal temperature measured by said at least one temperature measuring element when said at least one heating element diffuses a heat flow, and on the other hand, the temperature of the fluid, calculating the thickness of the fouling formed on the front face of the sensor exposed to the fluid from the determined temperature difference.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la détermination d'un écart de température comprend les étapes suivantes : - alternance de phases de commande de la diffusion d'une puissance thermique par ledit au moins un élément chauffant et de non diffusion d'une puissance thermique,16. The method of claim 15, characterized in that the determination of a temperature difference comprises the following steps: alternating control phases of the diffusion of a thermal power by said at least one heating element and non-diffusion a thermal power,
- mesure en permanence durant chacune des phases précitées de la température pariétale par ledit au moins un élément de mesure de température, - détermination d'un écart de température entre les températures mesurées par ledit au moins l'élément de mesure de température.continuously measuring during each of the aforementioned phases of the parietal temperature by said at least one temperature measuring element, determining a temperature difference between the temperatures measured by said at least one temperature measuring element.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape de commande de la diffusion d'un flux thermique par ledit au moins un élément chauffant comprend une étape de génération d'un signal de modulation de puissance dudit au moins un élément chauffant.17. The method of claim 16, characterized in that the step of controlling the diffusion of a heat flux by said at least one heating element comprises a step of generating a power modulation signal of said at least one element. heating.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que le signal est alternatif.18. The method of claim 17, characterized in that the signal is alternating.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le signal alternatif est stationnaire. 19. The method of claim 18, characterized in that the alternating signal is stationary.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le signal alternatif stationnaire est en créneaux.20. The method of claim 19, characterized in that the stationary alternating signal is crenellated.
21. Procédé selon l'une des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de mesure de température offre une précision de mesure de la température qui est meilleure que ou égale à 1 % de l'écart de température maximal déterminé entre l'état non encrassé et l'état encrassé.21. Method according to one of claims 15 to 20, characterized in that said at least one temperature measuring element provides a measurement accuracy of the temperature which is better than or equal to 1% of the maximum temperature difference. determined between the non-clogged state and the dirty state.
22. Utilisation de technologies de fabrication de la micro-électronique pour fabriquer un capteur (10 ; 34) de mesure et/ou de détection d'un encrassement en déposant sur un substrat (12 ; 42) des couches superposées d'éléments fonctionnels constitutifs dudit capteur qui comprend : - au moins un élément chauffant (14) qui est apte à diffuser, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé, - au moins un élément de mesure de température (16) qui est destiné à être placé dans le flux thermique homogène diffusé par ledit au moins un élément chauffant,22. Use of microelectronics manufacturing technologies for manufacturing a sensor (10; 34) for measuring and / or detecting fouling by depositing superposed layers of constituent functional elements on a substrate (12; 42) said sensor which comprises: - at least one heating element (14) which is able to diffuse, on command, a controlled homogeneous heat flow, at least one temperature measuring element (16) which is intended to be placed in the homogeneous heat flow diffused by said at least one heating element,
- un isolant thermique qui empêche la dissipation du flux thermique du côté du capteur qui est opposé à celui où se trouve ledit au moins un élément de mesure de température,a thermal insulator which prevents the dissipation of the thermal flux on the sensor side which is opposite to that in which the at least one temperature measuring element is located,
- le substrat (12 ; 42) sur lequel sont déposées les couches desdits au moins un élément chauffant et au moins un élément de mesure de température. the substrate (12; 42) on which the layers of said at least one heating element and at least one temperature measuring element are deposited.
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