Méthodes de mesure de la conductivité thermique

Dans cet article, nous vous présentons les principales méthodes de mesure de la conductivité thermique. Il s’agit de méthodes connues et reconnues permettant de mesurer de façon relative¹ ou absolue² la conductivité thermique. Vous trouverez ci-dessous le détail des méthodes suivantes : la méthode Plaque Chaude Gardée, la méthode Fil Chaud, la méthode fluxmétrique et la méthode Hot Disk (Source Plane Transitoire).

Méthode Plaque Chaude Gardée

« Guarded Hot Plate Method (GHP) » en anglais

La plaque chaude gardée est un appareillage qui permet de mesurer la conductivité thermique et la résistance thermique. Un flux de chaleur est généré, par effet joule, au centre d’une plaque chaude gardée. Le pourtour de la zone de chauffage est entouré d’une résistance électrique : la garde. Une régulation maintient un écart de température nul entre la garde et la zone de chauffage. Le flux qui traverse une paire d’éprouvettes, placées de part et d’autre de la plaque chaude, est alors unidimensionnel. Deux plaques froides placées contre les faces extérieures des éprouvettes permettent d’imposer leur température. Si les deux échantillons sont identiques le flux traverse à part égale chaque éprouvette. La mesure des températures sur les deux faces de chaque échantillon, une fois le régime permanent atteint, permet alors de calculer la conductivité thermique (λ) et d’en déduire la résistance thermique (R) — R=e/λ avec e l’épaisseur de l’échantillon mesuré. Cette méthode permet une mesure absolue de la conductivité thermique.

Illustration 1. Schéma de la méthode Plaque Chaude Gardée

Méthode Fil Chaud

« Hot Wire Method » en anglais

La méthode du fil chaud est une des méthodes transitoires les plus utilisées pour mesurer la conductivité thermique des isolants car elle est simple et rapide à mettre en œuvre. Le principe consiste à placer un élément chauffant qui se présente sous la forme d’un fil entre les surfaces de deux échantillons du matériau à caractériser. Le fil délivre un flux de chaleur sous forme d’échelon afin de produire localement un échauffement de quelques degrés du matériau. Cet échauffement est en règle générale mesuré ponctuellement par thermocouple. C’est l’analyse mathématique de cet échauffement qui permet de déterminer la conductivité thermique. Cette mesure est absolue.

Illustration 2. Schéma de la méthode Fil chaud

Méthode fluxmétrique

« Heat Flow Meter Method (HFM) » en anglais

La méthode fluxmétrique est principalement utilisée dans le domaine du bâtiment pour mesurer des matériaux d’isolation ou de construction. Il s’agit d’une mesure relative nécessitant un échantillon de référence. Le principe de cette méthode repose sur la circulation d’un flux thermique au travers de l’échantillon. En effet, l’échantillon à mesurer est insérer entre les deux plaques chaude et froide de l’appareil, au contact. Le gradient de température entre ces deux plaques génère un flux de chaleur qui traverse en régime permanent l’échantillon. Le flux est quantifié de part et d’autre de l’échantillon par des transducteurs de flux. La loi de Fourier sur la conduction de la chaleur nous permet de remonter aux valeurs de conductivité thermique (λ) et résistance thermique de l’échantillon (R) — R=e/λ avec e l’épaisseur de l’échantillon mesuré.

Illustration 3. Schéma de la méthode fluxmétrique

Méthode Hot Disk — Source Plane Transitoire

« Hot Disk Transient Plane Source (TPS) » en anglais

Le méthode Hot Disk est la méthode la plus robuste pour la mesure directe et absolue de la conductivité thermique. Elle permet de mesurer tous types de matériaux. Le principe repose sur une variation de résistance électrique liée à une variation de température. Une sonde Hot Disk est placée entre deux échantillons du même matériau à mesurer. Cette sonde est utilisée à la fois comme source de chaleur et comme capteur de température. En effet, une puissance constante est fournie à la sonde pendant un temps limité, ce qui crée un échauffement de quelques degrés des échantillons sur un certain volume autour de cette sonde (voir Illustration 4 ci-dessous). Cette élévation de température engendre une variation de résistance électrique de la sonde mesurée via un pont de Wheastone très précis. Ces variations (régime transitoire) sont enregistrées précisément puis analysées afin de déterminer la conductivité thermique et la diffusivité thermique du matériau.

Illustration 4. Schéma de la méthode Hot Disk — Source Plane Transitoire

Pour plus de renseignements sur nos méthodes de mesures, rendez-vous sur la page dédiée à notre laboratoire d’essais.

Retrouvez également nos appareils par méthode de mesure :

• Hot Disk pour la méthode Source Plane Transitoire.

Notes

¹ mesure relative : mesure comparative nécessitant une calibration préalable à l’aide d’une référence.

² mesure absolue : mesure intrinsèque d’une grandeur ne nécessitant aucune référence ni aucun facteur correctif.