Brevet FR2137070A1 — publié le 19721229

i 2137070 La présente invention qui résulte de la collaboration entre Monsieur Robert SCHLEY du Commissariat à l'Energie Atomique et Messieurs François DAVOINE, Guy MATTEUDI et Gilbert PORRAL de l'Ecole Nationale Supérieure de l'Industrie et de la Métallurgie des Mines de Nancy ( ENSMIM ) a pour objet un élément de mesure trifilaire gainé permettant de localiser un point chaud et d'en déterminer la température. Lorsque l'on veut détecter un point chaud sur une structure soumise à un régime thermique déterminé , il est intéressant de déceler à la fois la température du point chaud et la position dudit point chaud. Une solution consiste à placer des sondes thermométriques en divers points de la structure. Ces sondes, outre le fait qu'il faut en placer plusieurs pour détecter le point chaud, présentent un inconvénient. Si la structure est métallique, ces sondes gainées ont une résistance variable avec la température, ce phénomène néfaste produit généralement des fuites de courant à la masse par l'intermédiaire de la gaine. La présente invention a justement pour objet un élément de mesure trifilaire gainé qui pallie les inconvénients de la solution indiquée ci-dessus en utilisant la variation de résistance mentionnée ci-dessus. L'élément de mesure trif-ilaire se caractérise en ce qu'il comprend trois fils métalliques séparés électriquement les uns des autres et noyés dans un matériau isolant actif résistant bien aux chocs thermiques et dont la résistivité décroit très rapidement avec la température, ledit isolant réfractaire étant entouré d'une gaine métallique mise à la masse,"l'un des trois fils étant un conducteur électrique résistif stable à haute température et les deux autres fils étant des conducteurs thermoélectriques. Selon une variante de l'élément de mesure, objet de l'invention, une couche de matériau réfractaire électriquement très isolant est interposée entre l'isolant actif et la gaine métallique. Selon une autre caractéristique intéressante de l'invention l'isolant actif est fabriqué en oxyde de zirconium (ZrC^) stabilisé à l'oxyde d'yttrium (Y2O3). La zircone ayant une très faible résistivité au point chaud, provoque un contact électrique entre les trois fils. 71 17203 2 2137070 Le contact électrique entre les fils thermoélectriques donne un thermocouple qui sert à mesurer la température du point chaud, le contact entre le conducteur ordinaire et l'un des fils thermoélectriques ou la gaine permet de détecter l'abscisse du point 5 chaud par une mesure de résistance. De toute façon l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d' un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif ; la description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté : 1 q - sur la figure 1 une coupe de l'élément de mesure selon un plan diamétral, - sur la figure 2, le schéma électrique équivalent de l'élément de mesure lorsqu'une seule de ses extrémités est accessible, 15 - sur la figure 3, le schéma électrique équivalent de l'élément de mesure lorsque ses deux extrémités sont accessibles, - sur la figure 4, le schéma du pont de mesure servant à déceler la position du point chaud. 2g L'élément de mesure trifilaire a la forme d'un cordon de faible diamètre et de longueur quelconque, constitué par plusieurs matériaux en couches concentriques dans lesquels sont noyés trois fils. L'élément de mesure se compose de trois fils métal-25 liques 1, 2 et 3 parallèles, qui sont isolés les uns des autres par un matériau pulvérulent compacté 4 dont la résistivité décroît fortement quand la température s'élève. Le matériau 4 est entouré ou non par une couche d'isolant 5. Enfin l'ensemble est contenu dans une gaine métallique 6. 30 Le fil 1 est un conducteur ordinaire résistif qui peut être fabriqué, selon une caractéristique intéressante de l'invention, en alliage nickel-chrome (80% Ni, 20% Cr). Les fils 2 et 3 sont des conductéura -thermoélectriques classiques, le fil 2 étant par exemple en alliage de* composition 35 Ni 90%, Cr 10%, Mn et le fil 3 en alliage de composition Ni 95%, Al, Si ou Mn. . L'isolant actif 4, dont la résistivité décroît fortement lorsque le température s'élève, e-st avantageusement constitué par de la zircone (ZrÛ2) stabilisée à l'oxyde d'yttrium. Pour cela 71 17203 3 2137070 il faut que le pourcentage en mole de l'oxyde d'yttrium soit au moins égal à lia. Une teneur de 10% en oxyde d'yttrium donne une conductivité électrique maximale. Cela a pour but de supprimer la transformation cristallographique qui se produit dans la zircone 5 pure aux alentours de 1100°C, ladite transformation s'accompagnant d'un changement de volume. L'isolant réfractaire 5 est en alumine préfrittée. 5a présence est indispensable à partir d'une température de 950°C à 1000°C ; en effet à cette température la résistivité de l'isolant actif 4 ne serait plus suffisante pour isoler 10 les fils 1, 2 et 3 de la gaine métallique 6, cette gaine métallique 6 étant mise à la masse pour éviter les parasites. Donc si l'élément de mesure est prévu pour travailler à une température supérieure à 950°C à 1000°C, il comporte la couche d'alumine 5, dans le cas contraire il ne comporte pas ladite couche d'alumine 5. La 15 gaine métallique/est avantageusement en acier inoxydable. L'utilisation de l'élément de mesure st le suivant : l'élément de mesure est fixé le long de la pièce à contrôler ; lorsque la pièce à contrôler présente un point chaud, la portion de l'élément de mesure, en contact avec ce point voit sa tempé-20 rature s'élever considérablement. Dans cette section de l'élément de mesure la résistivité de la zircone décroît beaucoup. On a donc d'une part une liaison thermoélectrique entre les fils 2 et 3, d'autre part une liaison électrique'""ën"tre les fils 2 et 3 et le fil 1. La première liaison permet de mesurer la température du 25 point chaud, la deuxième liaison l'emplacement dudit point chaud. Pour effectuer la mesure de la température du point chaud, on place les extrémités des deux fils thermoélectriques dans une enceinte de référence à 0DC. Le thermocouple ainsi constitué délivre une force électromotrice proportionnelle à la température 30 de la soudure chaude, c'est-à-dire proportionnelle à la température du point chaud. Il suffit de mesurer cette force électromotrice par une méthode potentiométrique. La détermination de la position du point chaud se fait en mesurant la résistance du fil conducteur 1 et d'un des 35 fils thermoélectriques, le fil 2 par exemple. Deux méthodes de mesure sont possibles, soit qu'on utilise qu'une extrémité de l'élément de mesure, soit que les d'eux extiûmités de l'élément de mesure soient accessibles. 71 17203 4 2137070 Dans le premier cas on a le schéma électrique équivalent de la figure 2, sur cette figure on a représenté les fils I et 2 et la résistance J de l'isolant actif 4 au point chaud. Entre AB et DC on a des résistances proportionnelles à la distance séparant le point chaud de l'extrémité de l'élément où on- fait la mesure. Si la température du point chaud est suffisante, les variations de résistance sur le fil ne sont plus négligeables par rapport à la résistance J de la jonction. On pourra ainsi en déduire la position du point chaud. Dans le deuxième cas on a le schéma électrique équivalent de la figure 3. Au point chaud on a une liaison électrique entre les fils 1 et 2 dont la résistance est J, soit Y la résistance entre les points C et D, X celle entre A et B et R - X celle entre B et E (R représentant la résistance totale du conducteur 1). Aux extrémités A, D et E, des conducteurs 1 et 2 on monte un pont de mesure selon la figure 4, sur laquelle R^et R2 sont deux résistances variables permettant d'équilibrer le pont, G est un générateur basse fréquence ou à courant continu et V un millivoltmètre. Pour une élévation de température correspondant à un abrisse Xo sur l'élément de mesure, on équilibre le pont. A l'équilibre est proportionné à X. Si la somme R-j + R2 reste constante, R-j varie linéairement avec X, donc l'abcisse Xo. II est ainsi facile de déterminer après étalonnage la position du point chaud. Les premières expériences faites avec ce détecteur permettent d'assurer une mesure de la température à 20°C près dans une plage allant de 500 à 1D00°C et on peut localiser un point chaud avec une précision de l'ordre de 1cm pour un élément de mesure d'une longueur de 1m. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation plus spécialement décrits et représentés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, les matériaux utilisés, autres que la zircone, sont susceptibles d'être remplacés par d'autres produits en vue de l'utilisation de l'élément de mesure à des températures supérieures ou inférieures. Pour les utilisations de ce procédé à des températures supérieures à 10QD°C, on peut envisager de remplacer l'alumine par de la thorine ou tout autre oxyde réfractaire 71 17203 2137070 mieux adapté et l'acier inoxydable par As métaux réfractaires tels que le molybdène, le rhénium, le tantale, le niobium, l'iri dium,..., ou par des alliages de ces métaux. De même les matériaux constituant les fils thermoélectriques et le fil résistif tels que décrits précédemment peuvent être remplacés par tous matériaux adaptés à des mesures à haute température. 71 17203 6 2137070 REVENDICATIONS 1°) Elément de mesure trifilaire gainé permettant de localiser des points chauds et d'en déterminer la température, caractérisé en ce qu'il comprend trois fils métalliques séparés électriquement les uns des autres et noyés dans un matériau isolant actif résistant bien aux chocs thermiques et dont la résistivité décroît très rapidement avec la température, ledit isolant réfractaire étant entouré d'une gaine métallique mise à la masse, l'un des trois fils étant un conducteur électrique résistif stable à haute température, les deux autres fils étant des conducteurs thermoéle-C-triques. 2°) Elément de mesure trifilaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de matériau réfractaire électriquement très isolante est interposée entre l'isolant actif et la gaine métallique. 3D) Elément de mesure trifilaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant actif est en zircone (ZrÛ2) stabilisé par un pourcentage en mole d'oxyde d'yttrium (Y2O2) au môins égal à 7 %. 4°) Elément de mesure trifilaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux fils thermoélëctfiques sont respectivement en alliage nickel-chrome et en nickel allié,le fil conducteur étant en alliage nickel-chrome. 5°) Elément de mesure trifilaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de matériau réfractaire électriquement isolante est en oxyde d'un métal du groupe comprenant l'aluminium et le thorium. 6°) Elément de mesure trifilaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que la gaine est en acier inoxydable. 7°) Elément de mesure trifilaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine est fabriquée avec un des métaux du groupe comprenant le molybdene, le rhénium, le tantale, le niobium et l'iridium. 71 17203 7 2137070 0°) Procédé d'utilisation de l'élément de mesure trifilaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on 35 mesure la température d'un point chaud à l'aide du thermocou- ple constitué par les deux conducteurs thermoélectriques, la détermination de la position du point chaud se faisant en mesurant la résistance entre l'un des fils thermoélectriques et le fil conducteur à l'aide d'un pont de Wheatston élaboré 40 alimenté en courant alternatif ou continu où les capacités parasites dues à la structure coaxiale de l'élément de mesure sont équilibrées.