Serge Buathier, CETHIL
Dans le cadre de l’étude de l’ébullition à basse pression, faire le lien entre le comportement thermique et la dynamique de croissance de bulles présente un intérêt pour la compréhension du phénomène. Il est alors indispensable de synchroniser l’ensemble des mesures (thermocouples, fluxmètres, capteurs de pressions et mesures électriques) avec la prise de vues par camera rapide.
Le système d’acquisition mis en œuvre utilise un châssis cDAQ-9178 complété des modules NI (Série C) suivants: • NI 9205 x3 ; • NI 9203 ; • NI 9217 ; • NI 9401. Les signaux sont conditionnés à l’aide d’un module électronique réalisé au CETHIL. Ce développement s’inscrit dans le contexte des travaux de recherche sur l’ébullition sous de faibles pressions. Un dispositif est dédié à la compréhension des phénomènes mis en jeu par l’observation et l’étude de bulles de grande taille (plusieurs cm de diamètre) et de forme atypique (hémisphères, bulles en forme de champignon…). Compte tenu de la taille des bulles et des cinétiques d’évaporation, un capteur de flux thermique multizone concentrique a été conçu. Ce dernier permet de mesurer l’évolution temporelle des densités de flux au niveau de la surface de formation de la bulle de vapeur. Ce capteur délivre l’information sous forme de tensions différentielles. La rapidité des phénomènes impose d’acquérir les mesures et les images à une fréquence élevée (1 kHz).
Serge Buathier - CETHIL
Anthony Buthod - CETHIL
Par Sandra Michaie - CETHIL
Romuald Rullière - CETHIL
Jocelyn Bonjour - CETHIL
L’application nécessite de faire des mesures rapides, simultanées et synchrones avec le signal de déclenchement de la caméra rapide.
Le choix s’est porté sur le châssis cDAQ-9178 pour son entrée déclenchement compatible avec la connectique BNC de la caméra rapide.
Pour mesurer des températures à la fréquence désirée (1 kHz), l’acquisition des signaux de thermocouples est effectuée par un module d’entrées analogiques NI-9205 configuré en mode différentiel. Initialement, ce module n’est pas prévu pour la mesure de température par thermocouples : il ne dispose en effet pas de mesure intégrée de température de soudure froide. En revanche, il est adapté aux mesures de tensions différentielles sur une gamme 200 mV, avec une résolution de 16 bits et une fréquence maximale de 250 kéch/s. On obtient donc une sensibilité de 6 µV, ce qui est suffisant pour une mesure de thermocouple de type K. La compensation de soudure froide est intégrée dans un module électronique intermédiaire réalisé au CETHIL. La température des jonctions froides est mesurée au plus près de la connexion des thermocouples (dans le module) à l’aide de deux sondes PT100 reliées à un module NI-9217. Les f.é.m. des thermocouples sont mesurées en mode différentiel référencé à la masse par deux résistances de polarisation (100 kΩ) comme préconisé sur ce white paper : http://www.ni.com/white-paper/3344/fr/.
Comme les signaux issus des thermocouples, les tensions différentielles en sortie du fluxmètre sont référencées à la masse et lues à l’aide d’un deuxième module NI-9205.
Les deux capteurs de pression, qui équipent le dispositif expérimental, délivrent des signaux 4-20 mA. La mesure de courant associée est effectuée au moyen d’un module NI-9203.
Le chauffage de la surface d’ébullition est réalisé par un générateur. La puissance fournie est calculée à partir des tension et intensité électriques imposées, respectivement indiquées par deux signaux 0-10 V proportionnels respectivement à ces grandeurs. Ce couple de signaux est mesuré sur un troisième module NI-9205 en mode asymétrique référencé.
L’arrêt des mesures en fin de séquence vidéo est déclenché par un signal numérique de fin d’acquisition d’images transmis à un module NI-9401.
Le Tableau 1 synthétise les modules employés selon le type de signal et de capteur concerné tandis que la Figure 1 présente de manière schématique le système d’acquisition.
L’interface logicielle est réalisée avec LabVIEW 2015 sur un ordinateur dédié (PC2, cf. Figure 1). La face avant du vi (voir Figure 2) permet de visualiser les mesures en cours et de les enregistrer. L’acquisition des images est obtenue à l’aide du logiciel spécifique lié la caméra (Photron Fastcam Viewer) sur un autre ordinateur (PC1, cf. Figure 1). Le paramétrage de l’acquisition vidéo est défini dans ce logiciel (fréquence d’acquisition des images, mode de déclenchement manuel…). Le programme LabVIEW du PC2 est démarré et attend le début de la séquence vidéo (utilisation du vi DAQmx Déclenchement sur front numérique). La fréquence d’acquisition des mesures est identique à celle de prise d’images. Le programme LabVIEW exécuté sur le PC2 est stoppé par un trigger à la fin de l’enregistrement vidéo. Au final, on obtient un fichier de mesures où les N points collectés correspondent aux N images acquises par la caméra : les mesures sont synchronisées avec la caméra rapide.
Les résultats (mesures et vidéos) sont post-traités ultérieurement avec MATLAB.
Une difficulté spécifique réside dans la sensibilité au bruit électromagnétique environnant des thermocouples (accrue par la fréquence d’acquisition élevée). La réduction du bruit a été obtenue en sur-échantillonnant à une fréquence de 9 kHz et en faisant une moyenne sur 9 échantillons par voie pour se ramener à une fréquence de mesure de 1 kHz. La précision finale obtenue après ce traitement a été validée par un étalonnage des thermocouples : la température est estimée à 0.15 K près, ce qui est comparable à l’incertitude usuellement rencontrée pour des thermocouples de type K.
Les produits CompactDAQ et LabVIEW ont permis de réaliser un système d’acquisition pour la visualisation de la dynamique d’ébullition couplée aux mesures de températures par thermocouples à une fréquence de 1 kHz.
A l’avenir, il serait intéressant de pouvoir piloter intégralement la caméra dans le logiciel LabVIEW développé. De plus, le post-traitement pourrait également être fait avec LabVIEW pour pouvoir faire rapidement le lien entre ce qui est vu sur les vidéos et les valeurs des grandeurs mesurées.
Serge Buathier
CETHIL
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