Lamiae
Sommaire: Étude et mise en œuvre de résonateurs magnétostrictifs, application à la mesure de givrage
INTRODUCTION
Chapitre 1 : Introduction, état de l’art, définition du principe à mettre en œuvre, cahier des charges
1.1 Introduction
1.1.1 Historique de l’idée, objectif du projet
1.1.2 Le givre et sa détection
1.1.3 La magnétostriction
1.1.3.1 Les principaux phénomènes de magnétostriction
1.1.3.2 Autres effets
1.1.3.3 Origine de la magnétostriction
1.2 État de l’art
1.2.1 Étude d’un capteur existant, le capteur Rosemount
1.2.1.1 Étude de documents constructeurs du capteur Rosemount
1.2.1.2 Grandeurs à mesurer
1.2.1.3 Sensibilités
1.2.2 Principe des résonateurs magnétostrictifs
1.2.2.1 Expression du coefficient de couplage magnéto-mécanique k en fonction des perméabilités
1.2.2.2 Expression du coefficient en fonction des densités d’énergie
1.2.2.3 Résonateur magnétostrictif
1.2.3 Étude de résonateur à ruban : étude bibliographique
1.2.4 Fréquence de résonance, effet d’une masse additionnelle adhérente à un résonateur à ruban
1.2.4.1 Fréquence de résonance
1.2.4.2 Effet d’un dépôt de masse uniformément répartie
1.3 Cahier des charges
Chapitre 2 : Mise en œuvre et modélisation d’un résonateur cylindrique massif
2.1 Modélisations de la réponse en fréquence du résonateur, effet d’une masse sur la fréquence de résonance
2.1.1 Modélisation par propagation d’ultrasons longitudinaux dans un solide, problème à une dimension, sans pertes
2.1.2 Effet d’un dépôt de givre
2.1.3 Modélisation par propagation d’ultrasons longitudinaux dans un solide, problème à une dimension, avec pertes
2.2 Mise en œuvre du résonateur cylindrique massif : mauvais choix et tâtonnements
2.2.1 Le montage
2.2.2 Création d’une déformation par application d’un champ magnétique
2.2.3 Le choix du matériau
2.2.4 Mauvais choix : le Terfenol-D TM
2.2.5 Essais : mesures par une bobine
2.2.6 Mesures de déplacement
2.2.7 Mesure du déplacement à l’aide d’un accéléromètre
2.2.8 Mesures de déplacement à l’aide d’un vibromètre
Chapitre 3 : Mise en œuvre et modélisation d’un résonateur à lame
3.1 Mise en œuvre d’un résonateur à lame
3.1.1 Premier essai : résonateur à lame de nickel
3.1.1.1 Principe du résonateur
3.1.1.2 Réalisation pratique du prototype
3.1.1.3 Le résonateur
3.1.1.4 Essai
3.1.1.5 Mesures optiques
3.1.1.6 Analyse
3.2 Mise en œuvre d’un résonateur à ruban
3.2.1 Propriétés des rubans amorphes
3.2.1.1 Les amorphes magnétiques
3.2.1.2 Anisotropies
3.2.1.3 Les rubans magnétostrictifs
3.2.1.4 Traitements thermiques
3.2.1.5 Le ruban : 2605SC de Metglas TM
3.2.1.6 Le ruban : 2826MB de Metglas TM
3.2.2 Mise au point d’un résonateur
3.2.2.1 Choix de la polarisation
3.2.2.2 Difficultés de mise au point
3.2.2.3 Mise au point
3.2.2.4 Résultats
Chapitre 4 : Modélisation d’un résonateur magnétostrictif à ruban, réponse en fréquence
4.1 Modèle et équations
4.2 Équations de la magnétostriction
4.3 Expression de la déformation
4.3.1 Équation du mouvement
4.3.2 Expression de la solution type
4.3.3 Conditions aux limites
4.3.4 Équations à résoudre
4.3.5 Expressions de la déformation
4.4 Expression de la perméabilité
4.5 Expression de la tension aux bornes, fonction de transfert
4.6 Expression du module
4.7 Définitions des paramètres du modèle
4.7.1 Paramètres du modèle
4.7.2 Paramètres d’ajustement
4.8 Étude de la réponse en fréquence du modèle
4.8.1 Influence de la géométrie de la bobine de mesure (position et longueur)
4.8.2 Influence du couplage magnéto-mécanique
4.9 Étude du rapport entre fréquence de résonance et d’antirésonance
4.10 Apports du modèle
Chapitre 5 : Validation du modèle établi, application à la caractérisation de ruban
5.1 Dispositif expérimental
5.2 Les résonateurs testés
5.3 Premières mesures avec un ruban industriel optimisé pour la résonance
5.3.1 Étude des premiers harmoniques
5.3.2 Caractérisation du résonateur en NiFeCo
5.3.2.1 Réponse en fréquence
5.3.2.2 Évolutions des paramètres du modèle et des grandeurs électriques
5.3.2.3 Étude du coefficient de couplage, courbe de magnétostriction
5.3.3 Étude de l’amortissement
5.3.3.1 Pertes ferromagnétiques et mécaniques
5.3.3.2 Pertes par frottement
5.3.3.3 Évolution de l’amortissement avec l’amplitude de l’excitation
5.3.4 Incertitudes de mesures
5.3.4.1 Incertitudes des grandeurs mesurées
5.3.4.2 Incertitudes des paramètres k33, VM0, Y et η.
5.3.4.3 Incertitudes des paramètres de la pente d et de la déformation ε.
5.4 Caractérisation de rubans de 2605SC et 2826MB
5.4.1 Caractérisation de résonateurs en 2605SC
5.4.1.1 Réponses en fréquence
5.4.1.2 Évolutions des paramètres
5.4.1.3 Courbes de magnétostriction
5.4.2 Caractérisation de ruban de 2826MB
5.4.2.1 Réponses en fréquence
5.4.2.2 Évolution des paramètres
5.4.2.3 Effet de la longueur
5.4.2.4 Courbes de magnétostriction
5.5 Nickel
5.5.1.1 Réponses en fréquence
5.5.1.2 Évolution des paramètres
5.5.1.3 Courbe de magnétostriction
5.5.2 Problème de la mesure des courbes de magnétostriction
5.6 Apports du modèle
Chapitre 6 : Mesure de givrage
6.1 Le givre, sa mesure
6.1.1 Le givre
6.1.2 La gelée blanche
6.1.3 Le verglas
6.1.4 Autre classification
6.1.5 Surfusion
6.1.6 Températures favorables à la formation du givrage
6.2 Mesures en météorologie
6.2.1 Échelles
6.2.2 Mesures
6.2.3 Les radars météorologiques
6.2.4 Les satellites météorologiques
6.2.5 Cas particulier de la mesure du givre
6.2.5.1 Mesures à l’échelle de la dizaine de kilomètres.
6.2.5.2 Mesures locales par anémométrie laser
6.3 Mesures de givre à l’aide d’un résonateur magnétostrictif
6.3.1 Mesures de dépôt de givre
6.3.2 Principe de la mesure
6.3.3 Ruban utilisé
6.3.3.1 Effet de la dilatation thermique
6.3.3.2 Dépendance thermique des phénomènes magnétiques
6.3.3.3 Polarisation
6.3.3.4 Évolution de la fréquence avec l’épaisseur d’un dépôt, sensibilité
Chapitre 7 : Essais en condition de givrage
7.1 Essais idéaux
7.2 Essais réalisés au laboratoire
7.2.1 Moyens à disposition, adaptation du support
7.2.1.1 Pour les conditions de givrage
7.2.1.2 Le résonateur
7.2.2 Projection de gouttelettes à température positive
7.2.2.1 Variations de fréquence et d’amplitude provoquées par une pulvérisation à température ambiante
7.2.2.2 Étude de la dérive à température ambiante
7.2.3 Projection de gouttelettes à température négative
7.2.3.1 Expérience
7.2.3.2 Évolution de la fréquence suite à une projection
7.2.3.3 Sensibilité
7.2.3.4 Dégivrage
7.3 Essais réalisés avec du matériel mis à disposition par la société ATMOS
7.3.1 Matériel mis en œuvre, essais types
7.3.2 Essais en condition de givrage
7.3.2.1 Recherche d’un effet du givrage
7.3.2.2 Étude des courbes
7.3.2.3 Variation de la fréquence avec la température
7.3.2.4 Variation de la fréquence avec l’hygrométrie
7.3.2.5 Essai avec une lame de nickel
7.4 Vers la réalisation d’un capteur de givre
7.4.1 Avancement des travaux
7.4.2 Projet de prototype
7.4.3 Perspectives
Chapitre 8 : Conclusions
Bibliographie
ANNEXE 1 : Résolution des équations vérifiées par E
1.1 Passage à trois inconnues
1.2 Passage à deux inconnues
1.3 Expression de E
1.4 Expression de E2r
1.5 Expression de E1i
1.6 Expression de E1r
ANNEXE 2 : Première publication
RÉSUMÉ
♣ Extrait du mémoire
Chapitre 1: Introduction, état de l’art, définition du principe à mettre en œuvre, cahier des charges
1.1 Introduction
1.1.1 Historique de l’idée, objectif du projet
L’assistance de capteurs au sein des nombreux équipements qui jalonnent notre vie quotidienne permet d’améliorer la sécurité en termes agro-alimentaire, de transport qu’il soit routier, ferroviaire, maritime et aérien et d’anticiper de nombreuses situations souvent liées à des évènements météorologiques (tremblement de terre, tsunami, inondations suite à de fortes précipitations, givre). L’anticipation reste contrainte à des facteurs liés à des temps de réponse mais l’absence totale de capteurs peut entraîner des situations plus critiques : par exemple, lors du weekend du 5 janvier 2003, trente mille personnes passèrent la nuit dans leurs voitures bloquées sur l’autoroute A11, suite à des chutes de neige suivies d’une baisse soudaine de la température. La présence d’une couverture autoroutière avec des capteurs de givre aurait permis d’avoir des informations lors du refroidissement pouvant éviter ainsi les blocages en coupant des accès à l’autoroute.
Suite à cet incident, une réflexion a été engagée sur la mise en œuvre de capteurs de givre à base de matériaux magnétostrictifs en collaboration avec Thierry Besnard, responsable de la société ATMOS spécialisée dans la distribution d’équipements et d’accessoires météorologiques [2].
En effet, la société ATMOS est spécialisée dans «la conception et la fourniture de mesures et d’intégrations de données de mesures» [2]. Par ailleurs, de nombreuses études au Laboratoire de Physique de l’Etat Condensé LPEC UMR CNRS 6087 de l’Université du Maine avaient porté sur les alliages métalliques amorphes et les alliages nanocristallins, leurs propriétés structurales et magnétiques et leur stabilité thermique.
Par conséquent, nous avons initié ce travail portant sur la mise en œuvre de capteurs de givre basés sur des matériaux magnétostrictifs. Un état de l’art de la littérature ne faisait pas apparaître un approfondissement fondamental du principe de tels capteurs et la compréhension des mécanismes physiques. Par ailleurs, nous avons recherché une solution bon marché : contrairement aux utilisations aéronautiques pour lesquelles les cahiers des charges sont « heureusement pour les voyageurs » très contraints, nous avons davantage pensé à des applications pour des transports terrestres voire pour l’agriculture, applications pour lesquelles la couverture soit autoroutière, soit de vignobles par exemple, ou la surveillance des câbles d’alimentation (caténaires) des trains nécessite un réseau de capteurs afin de suivre l’état de givrage simultanément à différents endroits. Une telle infrastructure requiert un grand nombre de capteurs.
Il existe des capteurs de givre, basés sur la magnétostriction, destinés a priori exclusivement à des usages aéronautiques, bien qu’ils soient également appliqués pour la mesure de givrage sur des pales d’éolienne. Ces capteurs existants coûtent aux environs de 10000 euros. Ces prix élevés peuvent s’expliquer par la faible concurrence (peu de constructeurs) et par leurs premières applications en aéronautique : en effet, l’usage de capteurs de givre est obligatoire sur certaines catégories d’avions et, leurs prix, ramenés à celui d’un avion, deviennent négligeables.
La caractéristique principalement recherchée du capteur de givre à réaliser est donc son prix.
Le capteur devra être suffisamment bon marché et peu énergivore, pour s’intégrer dans la panoplie des capteurs indispensables aux utilisateurs potentiels tels que les concessionnaires d’autoroutes, les compagnies ferroviaires ou les chambres d’agriculture.
Pour le principe de détection, on peut penser à une mesure optique d’épaisseur, à un résonateur piézoélectrique (microbalance à quartz), à un système basé sur un haut-parleur ou à un résonateur magnétostrictif. C’est un parti pris que de chercher à réaliser ce capteur de givre en utilisant les propriétés de la magnétostriction. Ce choix tient pour l’essentiel à la thématique du laboratoire, cela étant pour des conditions de givrage légères, le résonateur, magnétostrictif ou piézoélectrique, semble le plus pertinent.
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