Brevet FR2233614A1 — publié le 19750110

La présente invention se rapporte aux thermocouples et elle concerne,-plus particulièrement, des éléments de thermocouple à jonction chaude utilisés pour mesurer des températures situées dans la région de 1.2O00C ou au-dessus. Une application particulière des déments de jonction selon l'invention est la mesure par sondage par immersion de températures de bains de métal fondu L'invention englobe également un procédé de mesure d'une température et un procédé de fabrication drun élément à jonction chaude. Gn dispose de dispositifs à thermocouples pour mesurer des températures pouvant atteindre et dépasser 1.8OO0C. A des températures inférieures à environ 1.0G0 C, on peut utiliser des métaux de base et leurs alliages comme fils de thermocouple mais, lorsqu'il faut effectuer des mesures au voisinage de 1.200 C et au-dessus, on utilise eouramment des éléments de jonction contenant des fils de platine, de rhodium, de tungstène et de rhénium. On notera que, lorsqu'on utilise des métaux nobles ou précieux, comme le platine, des considérations commerciales éxigent que les fils de thermocouple soient aussi minces que possible. Mesme de tels éléments de thermocouple à jonction chaude en métal si précieux sont relativement coûteux et n'ont qu'une durée de vie limitée. En général, on ne peut effectuer qufune seule mesure de température avec les élAments à jonction chaude actuels à ltextrémité supérieure de leur gamme de température, et l'on notera que, dans des entreprises telles que celles de l'industrie de l'élaboration de l'acier, où l'on fait annuellement un grand nombre de mesures de températures élevées, cela implique un coût en matières.Par ailleurs, les éléments de thermocouple en métal précieux en particulier sont difficiles à fabriquer, notamment du fait que les fils métalliques minces sont difficiles à joindre à la jonction chaude et que la fréquence de défaillances de tels éléments est assez élevée. En outre, la production d'éléments de thermocouples à jonction chaude, pour thermocouples d'immersion a impliqué en général, jusqu'à présent, de souder ensemble les fils de thermocouple pour former la jonction chaude. Lorsqu'on envisage des métaux nobles, les fils peuvent avoir moins de 0,1 mm de diamètre et, après le stade de soudage, il faut recuire la jonction de façon qu'elle soit suffisamment flexible pour permettre d'introduire la paire de fils métalliques dans une gaine réfractaire. On notera que le procédé ci-dessus demande du temps et est à la fois difficile et coûteux. En outre, l'utilisation alliages dans une paire de fils de thermocouple soudés entrain ses propres problèmes et difficultés. Ainsi, il faut utiliser des alliages spéciaux permettant de former une jonction soudée et cela limite la gomme de paires de fils de thermocouple pouvant entre choisis, lorsque les fils sont adaptés à la soudabilité mais non à un effet de thermocouple maximal ou une durée d'utilisation optimale. Be plus, à la température élevée mise en jeu, les fils s-ont souvent sujets à des effets de diffusion à travers la jonction chaude, de sorte qu'il existe une tendance à l'égalisation des alliages et à l'altération de ltéffet de thermocouple. Cela est également possible par suite d'une vaporisation sélective de constituants d'alliage à des températures elevées-, de sorte qu'encore une fois des lectures incorrectes peuvent etre donnéès par un thermocouple au bout d'une certaine période. A cause des difficultés indiquées ci-dessus, les éléments de thermocouple à jonction chaude actuels utilisés pour des mesures de températures élevées (par exemple d'acier fondu) sont réalisés en vue d'une utilisation unique seulement. On a considéré åusqutà présent comme essentiel que la connexion électrique formée entre les fils de thermocouple au niveau de la jonction chaude aoit une liaison permanente formée directement entre les fils de thermocouple ou au moyen d'un pont conducteur intermédiaire. On a proposé de réaliser le pont conducteur en matière en poudre dans le brevet des états Unis d'Amérique NO 3 477 122, mais l'on fond ensuite la poudre par chauffage par induction pour former une liaison permanente. On a trouvé maintenant que l'on peut former un élément de thermocouple à jonction chaude perfectionné si le pont conducteur est constitué par une poudre qui demeure à l'état de poudre à la température de mesure. Selon un premier aspect de l'invention, un procédé de mesure d'une température située dans la région de 1.200 C ou au-dessus, comprenant le stade consistant à mesurer le potentiel produit entre des fils de thernocouple dissemblables reliés électriquement entre eux dans la région ou' l'on doit mesurer la température, est caractérisé en ce que l'on réalise la connexion électrique au moyen d'un pont conducteur formé par une matière en particules, situé entre les extrémités des fils du thermocouple. Un pont électrique préféré est constitué par du tungstène en pouire. Un autre est constitué par de la poudre de graphite ou de carbure de tungstène. La dimension granulométrique de la poudre peut varier dans de larges limites. On peut utiliser, de façon appropriée, des particules de dimension inférieure à 500- microns et, de préférence, de dimension inférieure à 100 microns. l'eus fils de thermocouple peuvent être n'importe quelle paire de fils de thermocouple appropriée pour mesurer des températures supérieures à 1.20000. Une paire préférez comprend un fil de tungstène pur d'un côté et un fil de platine pur de l'autre côté. Etant constitués par des métaux purs, les conducteurs ne sont pas sujets à des variations de composi- tion par diffusion ou par vaporisation, et l'-on peut donc utiliser et réutiliser le dispositif à jonction chaude à plusieurs reprises. i.ême si l'un ou chacun des deux conducteurs utilisés est constitué par un alliage (par exemple si l'on utilise un alliage platine/rhodium au lieu du tungstène dans l'exemple ci-dessus), la diffusion n'influence pas nécessairement la durée d'utilisation du thermocouple, puisqu'on peut choisir les alliages de façon que les effets de vaporisation soient réduits au minimum, et que les extrémités des conducteurs soient séparées physiquement par le pont conducteur. Selon un antre aspect de l'invention, un élément de thermocouple à jonction chaude comprenant des fils de thermocouple dissemblables contenus dans une gaine réfractaire électriquement isolante les entourant et reliés électriquement entre eux à l'intérieur de la-gaine, est caractérisé en ce que la gaine contient un pont électrique de matière conductrice en particules ayant un point de fusion supérieur à la température de mesure, et en ce que les fils entrent en liaison électrique par 11 intermédiaire de particules contenues dans ledit pont. La fabrication de ltélément de thermocouple à jonction chaude selon l'invention est notablement simplifiée par le fait qu'il n'y a pas lieu d'effectuer de soudure entre les fils, ce qui est en soi très avantageux, et qu'en outre -on évite des jonctions soudées fragiles qui doivent titre recuites et qui sont susceptibles de se casser lorsqu'on insère les conducteurs dans une gaine qui les entoure. De plus, on peut choisir des fils de thermocouple que l'on ne choisissait pas actuellement à cause de la difficulté pour les joindra au niveau de la jonction chaude. Au cours de la fabrication de l'élément à Jonctlon chaude selon l'invention} il est préférable de placer d'abord le pont électrique en poudre dans une gaine tubulaire (par exemple, présentant la forme-dtun tube en U) et d'insérer ensuite les fils métalliques dans la gaine de façon que les extrémités opposées des fils s'incorporent dans le pont électrique en poudre. En variante, on peut placer les fils conducteurs dans la gaine et entasser la poudre formant le pont électrique autour des extrémités des fils conducteurs. A la température de fonctionnement de l'élément à jonction chaude la poudre forme un contact électrique parfaitement approprié entre les fils de- thermoc ouple Bes figures du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fercnt bien comprendre comment l'inventionepeut vitre réalisée. tes figures 1, 2 et 3 représentent trois modes d'exécution-différents d'éléments de thermocouple à jonction chaude. En se référant à la figure 1, un tube 1 en silice vitreuse est recourbé sur lui-meme pour former deux branches 2 et 3 avec une chambre 4 en forme de U à leurs extrémités La chambre 4 est délimitée au-dessous de portions étranglées 5 des branches 2 et 3. Un tronçon de fil de platine pur 6 traverse l'alésage de la branche 2 et un tronçon de fil tungstène pur 7 traverse l'alésage de la branche 3. L'extrémité inférieure de la chambre 4 contient une masse de poudre de tungstène 8 et les extrémités inférieures des fils métalliques 6 et 7 y plongent. Bes volumes de poudre de silice vitreuse- broyée 9 achèvent le remplissage de la chambre 4. Des bouchons 10 (par exemple, en une résine époxy) ferment hermétiquement les extrémités supérieures des branches 2 et 3. Bien qutil n'y ait pas de contact direct entre les fils 6 et 7 (et, par suite, pas de liaison permanente entre eux), ils sont en bon contact électriclue à la température de mesure, en raison du pont formé par la poudre 8. On peut utiliser l'élément à jonction chaude représenté sur la figure 1 pour des mesures de températures dans l'intervalle de 1.200 C à 1.600 C (le point de fusion du tungstène est de 3.3870C) et réaliser jusqu'à trente immersions dans de l'acier fondu sans détériorer l'élément à jonction chaude. Pour protéger le tube 1, on peut ltenduire d'une couche mince de cément de graphite, et l'on peut reconstituer la couche de temps en temps, entre des immersions dans le métal fondu. Dans le mode d'exécution représenté sur la figure 1, on peut avoir comme dimensions typiques : 48- ms pour a, 1,5 mm pour b, 5 à 6 mm pour c, b et e et 2 à 3 mm pour f. Be tube 1 peut présenter un diamètre intérieur de 1,40 mm et un diamètre extérieur de 2,29 mm. Ia dimension granulométrique de la poudre de tungstène peut etre comprise entre 5 et 10 microns. On peut utiliser du graphite en poudre, du carbone en poudre ou du carbure de tungstène en pondre au lieu de la poudre de tungstène 8. Be mode d'exécution représenté sur la figure 2 est constitué par des tubes concentriques 12 et 13 en silice vitreuse, une chambre inférieure 14 étant formée au-dessous d'un étranClexent 15 formé dans le tube extérieur 12. Stun des fils, le fil 16 du thermocouple (par exemple en platine) est placé dans l'intervalle annulaire compris entre les tubes 12 et 13, tandis que l'autre fil, le fil 17 (par exemple, en alliage platine/rhodium) est placé dans l'alésage du tube 13. Be contact électrique entre les fils se trouvant dans la chambre 14 a lieu par l'intermédiaire d'un pont de poudre conducteur 18 qui reste à l'état pulvérulent, même à la température de mesure.Un lit de silice vitreuse broyée 19 repose sur le pont de poudre de tungstène 18 pour contribuer à le maintenir en place et réduire le contact du pont 18 avec l'air. Bans le mode d'exécution représente sur la figure 2, le tube 12 pourrait avoir un diamètre extérieur de 5 à 6 mm et un diamètre intérieur de 4 à 5 mm, et le tube 13 pourrait avoir un diamètre extérieur de 3,0 mm et un diamètre intérieur de 1,2 mm. Comme dimensions typiques, on pourrait indiquer 48 mm pour ffi et 5 à 6 mm pour h et Le mode d'exécution représenté sur la figure 3 est constitué par un tube extérieur 22 en silice vitreuse et une tige de silice vitreuse massive 23 placée en son inté- rieur. l'a tige 23 est étirée en mEme temps que les fils de thermocouple 26 et 27 en platine et. en alliage platine-rhodium, de sorte qu'ils sont incorporés dans la tige sur toute a longueur.Une chambre 24 est formée à l'extrémité fermée du tube 22 au moyen d'un étranglement 25-, Un lit de poudre de tungstène 28 de dimension granulométrique inférieure à 10 microns constitue un pont électrique pour les extrémités à nu des fils 26 et 27 qui plongent dans celui-ci et une masse de silice vitreuse broyée 29 repose sur la poudre de tungstène. bu fait quelles fils 26 et 27 sont étirés avec la tige 23, ils peuvent être très minces (typiquement d'environ 30 microns de diamètre, bien que l'on puisse utiliser des diamètres inférieurs), ce qui économise de la matière coûteuse et donne une construction robuste-. La longueur de l'é-lément à jonction représenté sur la f-igure 3 peut titre comprise entre quelques millimètres et deux mètres, et l'on peut citer comme dimensions typiques 0,7 mm pour k, 0,5 mm pour m, 0,34 pour p et O,2 mm pour n. l'es éléments de jonction représentés sur les figures pourraient être utilisés avec une lance d'immersion classique, supportant l'élément tout en assurant la liaison électrique avec les extrémités supérieures des fils de thermocouple, en les plaçant dans un circuit de mesure. Te mode dtexécution représenté sur la figure 3 convient également pour etre utilisé dans le domaine des thermocouples miniatures. Cn notera que l'on effectue simplement la fabrication des éléments representés en plaçant les composants ensemble, sans qu'il y ait lieu d'effectuer d'opération de soudage compliquée sur les fils du thermocouple. REVENBICTI0NS 1.- Procédé de mesure d'une temp-rature située dans la région de 1.20000 ou au-dessus, comprenant le stade consistant à mesurer le potentiel produit entre des fils de thermocouple dissemblables reliés électriquement entre eux dans la région où l'on doit mesurer la température, caractérisé en-ce que l'on realise la connexion électrique au moyen d'un pont conducteur formé par une matière en particules, situé entre les extrémités des fils de thermocouple. 2.- Elément de thermocouple à jonction chaude comprenant des fils de thermocouple dissemblables contenus dans une gaine réfractaire électriquement isolante qui les entoure et reliés électriquement entre eux à 11 intérieur de la gaine, caractérisé en ce que la gaine contient un pont électrique de matière conductrice en particules ayant un point de fusion supérieur à la température de mesure, et en ce que les fils métalliques entrent- liaison électrique par l'intermédiaire des particules contenues dans ledit pont. 3.- Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pont est en poudre de tungstène, de graphite, de carbone ou de carbure de tungstène. 4. Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que la poudre a une dimension granulométrique inférieure à 100 microns. 5.- Elément selon la revendication 4, carac $*risé en ce que la poudre a une dimension granulométrique inférieure à 10 microns. 6.- Elément selon la revendication 2 caractérisé én ce que les fils de thermocouple sont incorporés dans une tige en matière réfractaire électriquement isolante placée dans la gaine, les extrémités à nu'desdits fils plongeant dans ledit pont-. 7.- Procédé de fabrication d'un élément de thermocouple à jonction chaude, comprenant le stade consistant à placer les extrémités de deux fils de thermocouple dissemblables dans une gaine réfractaire électriquement isolante qui les- entoure, caractérisé en ce que l'on incorpore les extrémités des fils à distance l'une de l'autre dans une chambre contenant un pont conducteur formé de matière en particules, et l'on ferme hermétiquement la chambre autour des fils. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la gaine est un tube en silice vitreuse fermé à l'une de ses extrémités, en ce que l'on place le pont de matière en particules contre ladite extrémité fermée, et en ce que l'on place les fils dans un éliment en silice vitreuse que lton insère dans le tube pour qu'ils se terminent au voisinage de ladite extrémité fermée, les extrémités des fils dépassant de l'élément plongeant alors dans la matière en particules dudit pont.