Brevet FR2130490A1 — publié le 19721103

i 2130490 La présente invention concerne un appareil servant à déterminer la température réelle d'une surface lorsque le passage du rayonnement thermique entre la surface et un dispositif déterminant la température ne s'effectue pas librement et, en particu-5 lier, un appareil servant à déterminer la température réelle de la surface de l'acier pendant une opération de laminage à chaud lorsque de la vapeur, propre à l'opération de laminage, atténue le rayonnement thermique frappant un pyrosetre. Il est essentiel de connaître avec précision la tempé-10 rature de finissage réelle pour assurer oue conduite optimum d'un laminoir de feuillard d'acier à chaud. Cependant, comme la présence de vapeur, de liquide pulvérisé, de poussière ou de fumée atténue le rayonnement thermique, il faut les éliminer du trajet optique allant de la surface chaude du feuillard au pyromètre avant 15 qu'une mesure précise de la température puisse être effectuée. Si ces substances gênantes ne sont pas éliminées, mie absorption ou une dispersion se produit, réduisant l'intensité du rayonnement qui frappe un détecteur ce qui indique alors une température de surface inférieure à la température réelle. En raison des conditions 20 qui régnent habituellement, autour d'un laminoir de feuillards d'acier à chaud, il n'est pas possible d'élininer coiaplèteiaent l'influence des substances gênantes sur la détermination de la température. L'importance de l'erreur dans les déterminations de température effectuées dans ces circonstances dépend au type de dé-25 tecteur de rayonnement utilisé et du type de substance gênante. Certains pyromètres proportionneurs ou à deux couleurs sont moins affectés par la présence de substances gênantes dans leur trajet optique que les pyromètres à rayonnement total ou à bande unique utilisés dans des ambiances pareilles, mais tous les p^romètres 30 proportionneurs connus actuellement ont des défauts qui ne permettent pas de les utiliser pour mesurer des températures de finissage dans des laminoirs de feuillards à chaud. Les dispositifs photomultiplicateurs quant à eux sont instables à lfétalonnage. Les pyromètres proportionneurs à cellules au silicium que l'on 35 trouve actuelleiaent sur le marché ne descendent que jusqu'à environ 788°C de sorte que la majorité des mesures de température de finissage, qui est d'environ 827°C, s'effectue à des niveaux de sortie très bas. Les pyromètres proportionneurs à sulfure de plomb sont moins affectés par l'encrassement des objectifs mais HO ils le sont davantage par la vapeur que le pyromètre à bande uni 72 09809 2 2130490 que à cellule au silicium plus simple, moins onéreux et plus stable. Les erreurs des dispositifs thermo-électriques ont été combinées avec des couchesd'impédance thermique différente pour déterminer la température comme dans le brevet américain 5 n° 3.286.52*+ accordé le 12 novembre 1966, mais les conditions ambiantes empêchent d'utiliser de tels dispositifs dans des laminoirs de feuillards à chaud. Cela étant, l'invention a pour but de procurer un appareil servant à déterminer la température réelle d'une surface lors-10 que le rayonnement de cette surface est atténué par une substance gênante. L'invention a également pour but de procurer un appareil dans lequel la température réelle soit automatiquement déterminée . 15 L'invention a encore pour but de procurer un appareil servant à indiquer l'existence d'entraves excessives à une mesure de température. L'invention utilise deux pyromètres qui possèdent des caractéristiques de réponse spectrale différentes et qui sont, par 20 conséquent, affectées différemment par -La présence de divers types de substances gênantes dans leur trajet optique. Cela, étant, si le trajet optique n'est effectivement pas libre, les pyromètres accusent des erreurs différentes et ne lisent donc pas la même température. Comme l'erreur d'un pyromètre est un multiple relativement constant de cel-25 le de l'autre, on combine les deux lectures dans un circuit pour corriger la lecture de température du pyromètre affichant la valeur la plus haute ou la plus précise et pour obtenir ainsi une indication de la température réelle. La différence entre les deux indications de température non corrigées est également utilisée 30 pour indiquer la présence d'entraves optiques excessives qui pourraient exiger une intervention correctrice. D'une manière plus spécifique, l'invention procure un appareil servant à déterminer la température réelle d'une surface à partir du rayonnement émis par cette surface lorsque le rayon-35 nement de la surface reçu par un détecteur est atténué par une substance gênante provoquant une détection erronée, qui comprend un premier détecteur de rayonnement aligné de manière à recevoir le rayonnement de la surface pour produire un premier signal en réponse au rayonnement reçu par cette surface, un second détec-^0 teur de rayonnement aligné de manière à recevoir le rayonnement 72 09809 3 2130490 du même endroit sur la dite surface que le premier détecteur en vue de produire un second signal en réponse au rayonnement reçu de la dite surface, le second détecteur réagissant à des longueurs d'onde différentes de celles du premier détecteur et le second signal contenant une erreur causée par la présence de la substance gênante qui se trouve dans un rapport en substance constant, dans les limites d'une garnie de températures intéressante, avec l'erreur au premier signal causée par cette présence, et des moyens connectés aux détecteurs pour 10 combiner les signaux. L'invention est illustrée, à titre d'exemple, au dessin annexé dans lequel : la Fig. 1 est une vue schématique de la forme d'exécution préférée de l'appareil suivant l'invention, et 15 la Fig. 2 est un graphique illustrant les caractéristi ques du pyromètre ainsi que les principes de l'invention. Sur la Fig. 1, la référence 2 désigne un feuillard d'acier chaud en mouvement qui émet un rayonnement b atténué par de la vapeur 6 dans son trajet en direction d'un dispositif dé-20 terminant la température désigné dans son ensemble par 8. Le rayonnement pénètre dans un séparateur de rayons 10 comportant un miroir 12 qui transmet un faisceau l1)- à un pyromètre à rayonnement total 16, tel qu'un "Leeds and Northrup Rayotube, modèle 8898" fabriqué par la Société Leeds and Northrup Corporation de North 25 Wales, Pennsylvanie, Etats-Unis d'Amérique et réfléchit un faisceau 18 vers un second pyromètre 20, tel qu'un pyromètre IRCON à cellule au silicium, modèle 11X2 fabriqué par la Société IRCON Data Systems, Inc., Niles, Illinois, Etats-Unis d'Amérique. Une sortie 22 du pyromètre 20 est connectée à une entrée d'un disposi-30 tif linéariseur 2b tel qu'un linéariseur IRCON, modèle SC11X-2S fabriqué par la Société IRCON Data Systems, Inc., de Niles, Illinois, Etats-Unis d'Amérique. Une sortie 26 du linéariseur 2b et une sortie 28 du pyromètre 16 sont connectées à un enregistreur 30, tel qu'un enregistreur à ruban Leeds and Northrup Speedomax 35 G fabriqué par la Société Leefs and Northrup Corporation, North Wales, Pennsylvanie, Etats-Unis d'Amérique. La sortie 26 est également connectée à un diviseur de tension 32 fournissant une sortie dont la valeur est égale au tiers de celle de la sortie 26. La sortie du diviseur de tension 32 est connectée dans une rela-bO tion soustractive depuis la sortie 28 à un indicateur 34- 72 09809 h 2130490 Les deux pyromètres 16 et 20 sont sujets à des erreurs causées par la vapeur 6, ainsi eue par de l'eau, des poussières ou de la fumée se trouvant éventuellement dans le trajet optique allant du feuillard 2 au séparateur de rayons 10. Cepen-5 dant, on a pu déterminer expérimentalement que le rapport des erreurs est relativement constant pour le même type de substance gênante et que le rapport de l'erreur du pyromètre 16 à l'erreur du pyromètre 20 est constant à 3:1 aux températures de laminage utilisées pour le feuillard d'acier laminé à chaud. 10 Ce rapport déterminé expérimentalement est confirmé par un calcul théorique.On suppose une courbe de' sortie pour un pyro-mètre à cellule au silicium, cette courbe indiquant une tension en millivolts en regard d'une température. Sur une partie limitée de cette courbe et, en particulier, dans la gamme de températures 15 intéressante, la courbe suit l'équation suivante : V = K £ Tn (1) où V est la tension de sortie en millivolts, K et n sont des con- 20 stantes, £ est l'émittance de la source rayonnante et T est la température en °K. p y Si la loi de Wien est valable, c'est-à-dire si ? AT v e ^ 1, ou C2 = lj^38 cm-°K, A est la longueur d'onde en cm et T est la température en °K, la courbe de sortie pouvant 25 également être exprimée de la manière suivante : ""Cp/ \ m V = K-jEe d A£ (2) où est la constante. 30 Si l'on différencie l'équation (1), elle devient : dV = KTnde+ nKET^dT (3) et si l'on différencie l'équation (2) elle devient : dV = Kxe °2/xTàe+ Kx£e ^^dT (H) Si l'on divise l'équation (3) par l'équation (1), on obtient : VO 72 09809 5 2130490 dV _ de ndT ,Ks T" ~~ ~ ~~T~ et si l'on divise l'équation (H) par l'équation (2), on obtient : 5 dV _ d£ . C2 dT Comme les équations (5) et (6) sont équivalentes, les dT coefficients de -^r sont égaux de sorte que 10 n = ^| (7) Pour une cellule au silicium à 827°C, une température de finissage de l'acier courante que l'on cherche à obtenir est 15 „ _ 1.^8 cm -°K n (090 cm x^-4; (11CC°"J ou n = 1^,5 La valeur de n pour le dispositif à rayonnement total 20 est bien connue et est voisine de 5» Les équations (5) et (6) ont j m alors des coefficients pour de 1^,5 pour la cellule au silicium et de 5 pour le pyromètre à rayonnement total. Ainsi, s'il se produit une variation d'émittance, par exemple de 5£s pour le dispositif à rayonnement total, la température apparente varie de 1/5» mais 25 la température apparente indiquée par la cellule au silicium doit varier de ;•>, un rapport d'erreur approximatif de 2,9 à 1 très proche du rapport expérimental 3:1. Cela signifie que la majeure partie de l'erreur expérimentale, même due à la vapeur, est due à la dispersion du rayonnement hors du trajet direct et 30 n'est pas causée par une absorption spectrale sélective. Ce rapport d'erreur des deux pyromè&res 16 et 20 est alors utilisé de la manière suivante. Si Tg est la température apparente mesurée le pyro-mètre à cellule au silicium 20, 35 Tr est la température apparente aiesurés par le pyro mètre à rayonnement total 16, et Tvrai est ^"a temPérature réelle. Dans ce cas, TS=Tvral-*T C8> lfO où AT est l'erreur dans le pyromètre à cellule au silicium 20 72 09809 6 2130490 causée par la présence de vapeur, de fumée ou de poussière. Comme l'erreur du pyromètre 16 est trois fois supérieure à l'erreur du pyromètre 20, 5 TR = Tvrai - 3 et AT = S 2 R (10) 10 Avant de pouvoir appliquer l'équation (10),il faut étalonner les deux pyromètres au moyen d'une source de corps noir et, pour le feuillard d'acier laminé à chaud, pour un facteur d'émittance de 0,80. Ces opérations sont bien connues et ne 15 seront, par conséquent, pas décrites. Il faut ensuite linéariser la tension de sortie en millivolts de chaque pyromètre. Sur la Fig. 2, la courbe marquée 28 indique la réponse du pyromètre 16 en millivolts pour la gamme de températures approximative de 760 à 927°C, c'est-à-dire la gamme de températures intéressante. 20 Quoique cette courbe suive la loi de puissance bien connue, eïle est suffisamment proche d'une réponse linéaire, qui serait constituée par la courbe 28L de la Fig. 2, pour que la réponse puisse supposée être linéaire dans la gamme de températures limitée représentée aux dessins. 25 La courbe 22 illustre une réponse type du pyromètre 20 convertie en millivolts. Cette réponse non linéaire est alors convertie en un signal de sortie 26 par le linéariseur 2b. La Fig. 2 montre que la sortie 26 est trois fois supérieure à la sortie 28L pour une température donnée quelconque de sorte que le calcul 30 est simplifié. On peut réécrire l'équation (8) en substituant l'équation (10) à AT de sorte que 35 Tq ** Tj, 3Tq ~ Tr Tvral = TS + -S"11' 2 ou en substituant des tensions de sortie en millivolts par des températures Vg de la cellule au silicium 20 et du pyromètre à rayonnement total 16, 3VS - VR 1,0 Val = „ ' 72 09809 7 2130490 où Vvra^ est la tension d'entrée de l'enregistreur 30, 3Vg est la sortie 26 du linéariseur 2^ et VR est la sortie 28 du pyromètre 16. Pour éviter de diviser par deux, on étalonne l'enregistreur 30 de manière que sa tension d'entrée 3Vg - corresponde à une 5 température donnée. Alors que le système que l'on vient de décrire est destiné à corriger des erreurs causées par la vapeur, il pourrait également être utilisé en cas de présence d'autres genres de substances gênantes, telles que poussière ou gouttelettes d'eau. 10 Comme certains genres de substances gênantes sont sélectifs quant à leur longueur d'onde et dispersent le rayonnement, le rapport d'erreur peut ne pas être égal à trois, comme on l'a déterminé expérimentalement avec de la vapeur. Cependant, même avec un rapport d'erreur de 2,3» qui est un rapport type avec une trans-15 mission à travers des écrans neutres ou de la poussière, le système produit une erreur qui est comprise dans les limites désirées de la précision du laminage de produits d'acier. Pour réduire au minimum ce genre d'erreur, il faut que le système optique soit maintenu propre. 20 N'importe quel dispositif à rayonnement est affecté dans une certaine mesure par la présence de substances gênantes dans son trajet optique, et des erreurs appréciables se produisent si ces substances dépassent une certaine limite. Si les différences entre les Indications de température des deux pyromètres, comme 25 indiqué par l'indicateur 3*+> dépassent une certaine limite, on peut utiliser l'indicateur pour indiquer que les entraves sont excessives et qu'une intervention correctrice doit être effectuée pour maintenir la précision de la température vraie enregistrée sur l'enregistreur 3°- L'indicateur pourrait indiquer, par 30 exemple, un objectif encrassé ou la présence d'un excès de poussière ou de vapeur. L'indicateur 3^ pourrait également comprendre un dispositif d'alarme automatique pour indiquer que le volume de substance gênante dépasse des limites acceptables. Des signaux 22 et 28 peuvent être connectés ou transmis à l'indicateur 3^ sans 35 le linéariseur 2^ et le diviseur de tension 32, mais les connexions indiquées n'exigent aucune autre variation parce que les signaux sont compatibles. L'équation (12) peut être réécrite de la façon suivante: rv. V. V , = r Uo v = m A -—S n?) vrai m - 1 72 09809 8 2130490 où m est le rapport d'erreur entre les deux pyromètres comportant des sorties et V Ceci vaudrait pour toute substance gênante non sélective ou en substance non sélective et pour deux pyromètres quelconques ayant des réponses aux erreurs différentes pour 5 la même substance gênante. Si un pyromètre ne présente pas de réponse linéaire, au moins dans sa gamme de températures intéressante, il peut être nécessaire de linéariser les sorties des deux pyromètres . Il n'est pas nécessaire d'utiliser un séparateur de 10 rayons; les deux pyromètres pourraient être utilisés côte à côte pour autant qu'ils reçoivent des radiations de la même source. Le séparateur de rayons élimine toute erreur éventuelle en assurant que le rayonnement mesuré provienne d'une seule source, mais le système peut exiger un étalonnage au cas où le séparateur de 15 rayons atténuerait le rayonnement parvenant aux deux pyromètres dans des mesures différentes. Dans des applications dans lesquelles des ordinateurs sont disponibles, par exemple, dans certaines chaînes de traitement, il est clair que les opérations logiques nécessaires peu-20 vent être exécutées par un ordinateur pour produire une lecture de température corrigée et pour utiliser la différence des lectures en vue d'actionner automatiquement un dispositif d'alarme faisant intervenir une action correctrice. L'invention élimine l'ambiguïté qui existe actuellement 25 dans les mesures de température effectuées par des dispositifs à rayonnement dans des conditions entraves éventuelles du trajet optique par de la vapeur ou de la fumée et permet de s'assurer que les entraves du trajet opti*que soient nulles ou restent dans des limites acceptables et que la température indiquée corresponde 30 à la température réelle à atteindre. 72 09809 9 2130490 REVENDICATIONS 1.- Appareil servant à déterminer la température réelle d'une surface, telle que de l'acier porté à la température de laminage à chaud, au moyen du rayonnement émis par cette surface 5 lorsque ce rayonnement reçu par un détecteur est atténué par une substance gênante telle que de la vapeur, qui provoque une détection erronée, caractérisé en ce qu'il comprend un premier détecteur de rayonnement aligné pour recevoir du rayonnement de la dite surface afin de produire un premier signal sensible au rayonne-10 ment reçu de la dite surface, un second détecteur de rayonnement aligné pour recevoir du rayonnement du même endroit de la dite surface que le premier détecteur afin de produire un second signal sensible au rayonnement reçu de la dite surface, le second détecteur ayant des longueurs d'onde caractéristiques différentes 15 de celles du premier détecteur et le second signal contenant une erreur causée par la présence de la substance gênante qui se trouve dans un rapport en substance constant, dans les limites d'une gamme de températures intéressante, avec l'erreur du premier signal également causée par cette présence, et des moyens connec-20 tés aux détecteurs pour combiner les signaux. 2.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier signal réagit aux variations de la température de la surface d'une manière essentiellement linéaire et ën ce qu'il comprend des moyens connectés au second détecteur pour 25 modifier le second signal en réponse aux variations de la température de la dite surface proportionnellement au premier signal dans la Mesure du dit rapport. 3.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont connectés au premier détecteur pour 30 modifier le premier signal en vue de réagir aux variations de la température de la dite surface d'une manière essentiellement linéaire, et des moyens sont connectés au second détecteur pour modifier le second signal en vue de réagir aux variations de la température de la dite surface proportionnellement au premier 35 signal modifié dans la mesure du dit rapport. V.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,carac- térisé en ce qu'il comprend des moyens connectés au premier détecteur et au second détecteur pour indiquer la différence entre le premier et le second signal. M-0 . . 5«~ Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4,carac- 72 09809 10 2130490 risé en ce que les moyens servant à combiner les signaux comprennent un enregistreur, des moyens connectés au premier détecteur et des moyens pour modifier le second signal en vue de produire un signal d'entrée pour l'enregistreur obtenu en soustrayant du 5 signal plus fort le plus faible du premier signal et du second signal modifié, et des moyens dans l'enregistreur pour convertir le signal de sortie en une indication de température en divisant le signal de sortie par un facteur déterminé en soustrayant un du dit rapport. 10 6.- Appareil suivant j/une quelconque des revendications 1 à 5,carac- - tërisé en ce qu'il comprend un séparateur de fayons propre à recevoir le rayonnement du dit emplacement de la dite surface et à laisser passer une fraction du rayonnement vers le premier détecteur et une fraction du rayonnement vers le second détecteur. 15 7'- Appareil suivant la revendication caractérisé en ce qu'un indicateur et un diviseur de tension sont connectés* à l'indicateur, au premier détecteur et aux moyens servant à modifier le second signal de telle sorte que le diviseur de tension réduise le second sirnal codifié par le dit rapport et procure un 20 èignal d'entrée pour l'indicateur déterminé en soustrayant du signal plus fort le plus faible du premier signal et du second signal modifié proportionnellement réduit. 8.- Appareil suivant la revendication 7j caractérisé en ce que l'indicateur comprend un dispositif d'alarae interve- 25 nant lorsque le signal d'entrée de l'indicateur excède une limite prédéterminée. 9.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que le premier détecteur est un pyromètre à rayonnement total et le second détecteur est un pyromètre à cellule 30 au silicium. BAD ORIGINAL