Brevet FR2180443A1 — publié le 19731130

La présente invention a pour objet un équipement de mesure thermométrique comprenant un ensemble de sondes constituées de thermocouples et destinées à capter les températures régnant en divers points d'une installation, telle par exemple qu'un conduit annulaire parcouru par un flux de gaz chauds et éventuellement corrosifs. Une application typique, bien que non limitative, d'un équipement de ce genre est représentée par la mesure permanente des températures du flux gazeux s'échappant d'une turbine à gaz ou d'un turbo-réacteur. Dans une telle application, il est essentiel de capter de façon stre et rapide la température instantanée moyenne du flux e gaz chauds à la sortie de la turbine afin de permettre à l'équipement de régulation associé de réagir sans délai à tout accroissement de la température susceptible de mettre en danger 1' installation. Pour ce faire, on répartit en divers points du conduit annulaire d'échappement de la turbine un certain nombre de sondes thermométriques constituées de thermocouples et disposées de façon que leurs soudures soient balayées par le flux da gaz chauds dont elles indiquent la température sous forme de signaux électriques.Ces thermocouples peuvent autre reliés par l'intermédiaire de cibles individuels de liaison à une botte de jonction dans laquelle les signaux qu'ils émettent sont mixés ou comparés de toute autre manière convenable en vue d'engendrer un signal représentatif de la température instantanée moyenne des gaz, ou de toute autre température caractéristique de l'installation. La boite de jonction peut enfin être reliée à une boite ou à un autre organe de connexion extérieur par un cible de raccordement servant à transmettre le signal ainsi élaboré à un récepteur de mesure ou de régulation. La réalisation matérielle de ce genre d'équipement de mesure thermométrique soulève de sérieux problèmes de technologie, tant en raison des hautes performances qu'on en attend que des conditions d'ambiance particulièrement sévères qui lui sont imposées. C'est ainsi, notamment, que les thermocouples doivent être constitués de conducteurs relativement forts pour pouvoir résister convenablement aux contraintes thermiques et chimiques auxquelles ils sont exposés (gaz corrosifs circulant à grande vitesse et à des températures pouvant atteindre 9000 C environ). Mais cet épaississement des conducteurs constitutifs des thermocouples se traduit inévitablement par un allongement indésirable du temps de réponse aux variations rapides de température qui peuvent se produire. En outre, les matières céramiques réfractaires utilisées pour l'isolation des conducteurs des thermocouples par rapport aux pièces métalliques environnantes sont elles-mêmes soumises à de fortes sollicitations thermiques alternées qui tendent très vite à les fissurer, créant ainsi de multiples trajets d'amorçage que le dépôt de particules de carbone ne peut manquer de rendre conducteurs. Il en résulte, en dépit des précautions prises, de sérieux risques de défaillance auxquels on ne peut parer que par de fréquentes révisions et/ou par le remplacement périodique des organes sensibles de l'équipement. La présente invention se donne pour but de pallier les inconvénients de la technique antérieure et de fournir pour ce genre d'application un équipement de mesure thermométrique présentant à la fois un haut degré de fiabilité et une rapidité de réponse convenant bien aux besoins particuliers de la régulation. L'équipement de mesure thermométrique selon l'invention comprend, de façon en elle-même connue, un ensemble de sondes constituées de thermocouples, une boite de jonction à laquelle ces sondes sont reliées par l'intermédiaire de câbles individuels de liaison et dans laquelle leurs signaux sont éventuellement comparés ou traités, et une boite ou autre organe de connexion relié à la boite de jonction par un câble de raccordement et servant à transmettre le ou les signaux recueillis à un récepteur extérieur, et il est plus particulièrement caractérisé par le fait que l'ensemble de ses constituants y compris les sondes est recouvert d'une enveloppe protectrice continue, réalisée en une matière apte à supporter sans dommage les conduit tions ambiantes de l'installation, et composée d'éléments dont les épaisseurs peuvent être sélectivement adaptées aux nécessités de la mesure et/ou aux contraintes mécaniques résultant des effets de dilatation et dont les jonctions sont rendues étanches aux poussières et aux gaz par tout moyen approprié. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les sondes thermométriques comprennent chacune au moins un thermocouple formé de fils minces et dont la soudure est abritée avec interposition d'une matière isolante réfractaire à l'intérieur d'une antenne tubulaire à paroi mince et de faible diamètre, cette antenne constituant un élément de l'enveloppe protectrice et émergeant de l'extrémité fermée d'un support tubulaire de fixation réalisé en la même matière mais présentant un diamètre et une épaisseur de paroi notablement supérieurs. De leur coté, les câbles de liaison individuels reliant les sondes thermométriques à la boite de jonction, laquelle occupe de préférence une position coincidant avec le centre géométrique des emplacements des sondes, sont tous de même longueur et sont abrités chacun sous une gaine constituant un élément de l'envelop- pe protectrice et autorisant par la minceur de sa paroi comme par le tracé de son parcours la compensation des effets de dilatation thermique. Grâce à l'emploi d'une enveloppe protectrice continue, laquelle est réalisée de préférence en un alliage à forte teneur en nickel et avec jonctions entre éléments scellées par des cordons de soudure inoxydable, se trouve ainsi assurée une protection efficace contre les risques de corrosion, impossible à obtenir lorsque les thermocouples sont directement exposés à l'action des gaz chauds. La rapidité de réponse aux variations de température n'en est cependant pas compromise, car il devient possible de réaliser ces tbermocouples avec des fils conducteurs minces et par conséquent dépourvus d'inertie calorifique. La transmission des variations de température aux soudures des thermocouples n'est pas retardée de façon appréciable, grâce à la minceur de la paroi protectrice en ce point sensible de l'équi- pement et à la relativement faible distance dtisolement laissée entre cette paroi et la soudure. Le blindage continu qui assure la protection de l'équipement selon l'invention permet par ailleurs de placer la boite de jonction au point le plus favorable pour les nécessités de la mesure, c'est-à-dire pratiquement au centre de la couronne circulaire de sondes thermométriques et ceci sans avoir à se préoccuper des conditions d'ambiance qui y règnent ; il en résulte que tous les câbles de liaison ont même longueur, ce qui rend inutile l'emploi de résistances correctri -ces supplémentaires. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode préférentiel a'exécution, donné à simple titre d'exemple et en se référant aux dessins ci-annexés, en lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale de l'é- quipement de mesure selon l'invention, installé à la sortie d'une turbine à gaz - la figure 2 est une vue de face de cet équipement, prise selon la ligne II-II de la figure 1 - la figure 3 représente en coupe axiale et à plus grande échelle la boite de jonction d'un tel équipement ;et - la figure 4 est une vue en plan par dessus de cette boite de jonction, avant la pose du capot. L'équipement de mesure thermométrique représenté aux dessins ci-annexés comprend, à titre d'exemple, un ensemble de quatre sondes 1 dont les supports ou corps tubulaires rigides sont munis de brides de fixation 2 permettant de les monter, par l'intermédiaire de vis ou goujons 3 et d'écrous 4, sur la paroi de révolution qui délimite intérieurement le conduit annulaire d'échappement de gaz de la turbine. Plus précisément, et ainsi que le montre la figure 2 des dessins, les sondes 1 sont disposées radialement et sont angulairement équidistantes les unes des autres. Elles pénètrent par ailleurs suffisamment à l'intérieur du conduit annulaire pour que les antennes de mesure 5 et 5' portées à leurs extrémités soient balayées par la partie du flux de gaz chauds la plus représentative de sa température instantanée, laquelle peut atteindre en fonctionnement jusqu'à 8500 C.Chaque sonde comporte deux antennes de mesure 5 et 5' dont chacune abrite la soudure d'un thermocouple, ces thermocouples étant identiques ou non et fournissant des signaux indépendants l'un de l'autre en vue d'alimenter deux circuits de mesure distincts pouvant soit se doubler pour parer un éventuel risque de défaillance, soit encore remplir des fonctions différentes telles par exemple qu'une fonction d'indication et une fonction de régulation. En tout état de cause, les thermocouples sont constitués de fils conducteurs aussi fins que possible afin de présenter une inertie calorifique minimale.Les antennes de mesure 5 et 5' sont constituées chacune d'un tube de faible diamètre (de l'ordre par exemple du millimètre), à paroi mince (de l'ordre du dixième de millimètre) et réalisé en une matière apte à supporter sans dommage les contraintes thermiques et chimiques auxquelles sont exposées les sondes,par exemple en un alliage à forte teneur de nickel.Ces tubes abritent chacun à leur extrémité fermée une soudure de thermocouple, l'isolation nécessaire étant assurée par interposition de magnésie compactée sous forte pression ou de toute autre matière isolante appropriée. Grtce à cet ensemble de dispositions constructives, la soudure du thermocouple est isolée du contact corrosif des gaz chauds tout en conservant, grâce à son absence d'inertie calorifique et aux faibles épaisseurs de son enveloppe et de sa gaine protectrices, une rapidité de réponse suffisante pour les besoins de l'application envisagée. Les antennes de mesure 5 et 5' n'émergent que sur une courte distance de l'extrémité fermée du support tubulaire de la sonde, lequel est réalisé en la même matière qu'elles mais avec un diamètre et une épaisseur de paroi notablement supérieurs de façon à présenter toute la robustesse désirable. Les diverses sondes thermométriques 1 sont reliées, par l'intermédiaire de cibles individuels de liaison à quatre conducteurs de même nature que ceux des thermocouples, à une boite de jonction généralement désignée par le repère 6 etdisposée sensiblement au centre de la couronne circulaire sur laquelle sont réparties les sondes .Cette boite de jonction, qui se trouve ainsi soustraite au contact des gaz chauds mais qui est exposée à des températures encore relativement élevées (par exemple de l'ordre de 6000 C à 8000 C), est enfermée dans un boiter cylindrique étanche composé comme le montre la figure 3 d'un fond 7 et d'un capot 8 assemblés l'un contre l'autre par emboitement, la jonction des deux pièces étant rendue étanche aux poussières par un cordon continu de soudure inoxydable 9. te fond 7 et le capot 8 peuvent être avantageusement réalisés en la même matière que celle utilisée pour la protection des sondes thermométriques 1. te fond 7 est percé d'une rangée circulaire d'orifices 10 en nombre égal à celui des sondes. tes câbles individuels de liaison reliant les sondes thermométriques à la boite de jonction 6, lesquels ont tous même longueur, sont abrités chann sous une gaine protectrice il réalisée de préférence en la même matière que celle des supports de sondes et du boiter. Pour permettre le libre jeu des effets de dilatation thermique, les gaines 11 sont formées avec une paroi relativement mince et leur parcours entre les sondes 1 et la boite 6 comporte comme le montre la figure 1 une boucle permettant de compenser par sa déformation les efforts de compression longitudinaux.Pour éviter toute solution de continuité dans l'étanchéité de l'enveloppe protectrice, les extrémités des gaines 11 pénètrent sur une certaine profondeur et sans jeu appréciable dans les extrémités ouvertes des corps de sondes ou dans les orifices de passage 10 de la boite-de jonction 6, les jonctions étant de surcroît scellées par des cordons de soudure inoxydable. A l'intérieur de la botte de jonction 6 sont mon tées, avec interposition de deux disques rainurés 12 et 13 en matière isolante et d'une vis centrale d'assemblage 14, quatre couronnes conductrices coaxiales 15, 16, 17 et 18. Ces couronnes, auxquelles sont respectivement relies par soudure les extrémités de conducteurs homologues provenant des diverses sondes, et qui sont respectivement réalisées à partir des mêmes métaux ou alliages que ces conducteurs, assurent le mixage des signaux électriques fournis par les sondes afin d'élaborer un double signal de sortie représentatif de la température instantanée moyenne des gaz circulant autour des antennes de mesure 5 et 5' Ce double signal de sortie est lui-même transmis par l'intermédiaire d'un cible de raccordement à quatre conducteurs qui relie la boite de jonction 6 à un organe de connexion extérieur 19 constitué dans l'exemple représenté par une traversée à bornes étanche fixée sur la paroi extérieure du conduit d'échappement des gaz de la turbine. Ce câble de raccordement est également protégé par une gaine 20 de même constitution que les gaines 11 des câbles de liaison et s'engageant comme elles par ses extrémités, d'une part dans un orifice supplémentaire 21 du fond 7 de la boite de jonction, et d'autre part dans la traversée à borne 19 ; ici encore, l'étanchéité des jonctions est assurée par des cordons de soudure inoxydable0 Il ressort de la description qui précède que l'en- semble des constituants de l'équipement de mesure thermométrique selon l'invention, y compris les sondes de mesure, est recouvert d'une enveloppe protectrice continue qui joue le rtle d'un véritable blindage en isolant ces constituants du contact des gaz ou vapeurs corrosifs.Grâce aux précautions prises pour assurer l'étanchéité des jonctions entre les éléments constitutifs de cette enveloppe, les constituants de ltéquipement sont également protégés contre l'éventuelle introduction de poussières ou autre corps étrangers susceptibles de nuire à leur bon fonc tionnenent. Ainsi se trouvent pratiquement éliminés tous les risques majeurs de défaillance de l'équipement de mesure. On remarquera encore que, grâce à une adaptation sélective des épais- seurs de paroi des divers éléments de l'enveloppe protectrice, l'interposition de ce blindage est sans influence sur la rapidité de réponse aux variations de la température mesurée. Il va cependant de soi que la portée de l'invention ntest pas limitée aux particularités constructives qui ressortent de la présente description, mais quelle s'étend au contraire à toutes variantes faciles à concevoir et s'inspirant des mêmes principes. REVENDICATIONS 1. Equipement de mesure thermométrique comprenant un ensemble de sondes constituées de thermocouples et destinées à capter les températures régnant en divers points d'une installation, telle par exemple qu'un conduit annulaire parcouru par un flux de gaz chauds et corrosifs, une boite de jonction à laquelle sont reliées lesdites sondes par l'intermédiaire de câbles individuels de liaison et dans laquelle les signaux provenant de ces sondes sont éventuellement comparés ou traités aux fins d'élaboration d'un signal représentatif d'une caractéristique de l'installation, telle par exemple que sa température instantanée moyenne, et une boite ou autre organe de connexion relié à ladite boite de jonction par un câble de raccordement et servant à transmettre le ou les signaux à un récepteur extérieur à l'installa- tion, caractérisé par le fait que l'ensemble de ses constituants y compris les sondes est recouvert d'une enveloppe protectrice continue réalisée en une matière apte à supporter sans dommage les conditions ambiantes de l'installation et composée d'éléments dont les épaisseurs peuvent être sélectivement adaptées aux nécessités de la mesure et/ou aux contraintes mécaniques résultant des effets de dilatation et dont les jonctions sont rendues étanches aux poussières et aux gaz par tout moyen approprié. 2. Equipement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les divers éléments de l'enveloppe protectrice sont réalisés en un alliage à forte teneur en nickel et que leurs jonctions sont scellées par des cordons de soudure inoxydable. 3. Equipement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les sondes thermométriques comprennent chacune au moins un thermocouple formé de fils minces et dont la soudure est abritée avec interposition d'une matière isolante réfractaire à l'intérieur d'une antenne tubulaire à paroi mince et de faible diamètre, cette antenne constituant un élément de l'enveloppe protectrice et émergeant de l'extrémité fermée d'un support tubulaire de fixation réalisé en la même matière mais présentant un diamètre et une épaisseur de paroi notablement supérieurs. 4. Equipement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les câbles de liaison individuels reliant les sondes thermométriques à la boite de jonction, laquelle occupe de préférence une position coincidant avec le centre géométrique des emplacements desdites sondes, sont tous de même longueur et sont abrités chacun sous une gaine constituant un élément de l'enveloppe protectrice et autorisant par la minceur de sa paroi et par le tracé de son parcours la compensation des effets de dilatation thermique. Equipement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la boite de jonction est enfermée dans un bottier cylindrique étanche qui constitue lui aussi un élément de l'enveloppe protectrice et sur une face frontale duquel aboutissent les gaines protégeant les divers câbles de liaison, ces gaines s'engageant dans des orifices répartis de préférence sur un cercle concentrique au contour du bottier et leurs jonctions étant scellées par des cordons de soudure inoxydable. 6. Equipement selon ltune des revendications 1 à 5, caractérisé par lofait que le câble de raccordement reliant la botte de jonction à l'organe de connexion extérieur, lequel consiste de préférence en une traversée à bornes étanche, est abrité sous une gaine continue qui forme un élément de l'enveloppe protectrice et est scellée aux orifices dans lesquels s'engagent ses extrémités par des cordons de soudure inoxydable.