Brevet FR2422152A1 — publié le 19791102

La présente invention concerne un dispositif de mesure de température d'environnement par un instrument comportant une tête sensible, notamment par thermocouple. Il est connu de repérer la temperature de surface de produits portes à hautes temperatures à l'aide de thermocouples dont la tête sensible, ou soudure chaude, est en contact avec eux ou à proximité immédiate On sait par ailleurs qu'une telle mesure est généralement faussée car la soudure chaude reste soumise à l'influence perturbatrice du milieu ambiant. Ce cas se présente notamment dans les fours industriels pour le rechauffage des demi-produits sidérurgiques où la perturbation peut être due au rayonnement des parois du four ; c'est le cas également à l'exterieur des fours, où la perturbation peut être alors causée par des phénomènes de convection par circulation d'air contre la soudure. Le but de la presente invention est de s'affranchir de ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de repérage de température d'environnement par au moins un instrument de mesure, comportant une tête sensible et comprenant un corps présentant au moins une surface, qui environne partiellement la tête sensible, et constitué par une substance réfractaire présentant une faible conductivitê thermique. Conformément à une variante de réalisation, la surface environnant partiellement la tête sensible est de forme sensiblement plane. Conformément à une autre variante, cette surface est de forme concave. Selon une caractéristique particulière, la substance est un réfractaire fibreux, par exemple de la laine de kaolin, dont les fibres sont orientées parallelement à la surface environnant partiellement la tête sensible. Conformément à une disposition de l'invention, le corps prémentionné est maintenu dans un support équipé de moyens de manutention comprenant un bras porteur, qui peut être refroidi à l'eau, et un organe d'articulation reliant l'extrémité du bras au support. Comme on le comprend, la presente invention consiste donc, dans ses caractéristiques essentielles, à placer au voisinage de la tête sensible, ou soudure chaude du thermocouple, un corps conformé de manière à jouer un rôle d'écran, ou, si l'on préfere, de paravent thermique, permettant de soustraire la soudure chaude de l'influence perturbatrice du milieu ambiant, par exemple l'intérieur du four. Lorsque la soudure chaude est en position de mesure, en contact ou à proximité du produit à examiner, cet ecran coopère avec la surface du produit pour constituer une enceinte dans laquelle est place la soudure chaude. Selon la forme, plane ou concave, de la surface de cet écran, l'enceinte prémentionnée peut être respectivement ouverte latéralement ou close. Ce dernier cas se présente, bien entendu, lorsque ia surface de l'écran est en contact, par son bord, avec la surface du produit à examiner. L'une des conditions à satisfaire de façon impérative est que l'écran soit approprié à créer, dans l'enceinte ainsi réalisée, un "micro-climat" qui se mette rapidement en équilibre thermique avec le produit à examiner et sans refroidir sensiblement ce dernier. Conformément à l'invention, la substance composant l'écran doit, à cet égard, présenter conjointement - un coefficient d'arrachement faible devant celui du produit à examiner pour ne pas refroidir substantiellement ce dernier, - un faible coefficient de diffusivité thermique pour ralentir la vitesse de propagation de la chaleur vers l'extérieur de l'enceinte. On sait que le coefficient de diffusion thermique a et que le coefficient d'arrachement b ont respectivement pour expression a pC b = ##pc où A représente la conductivité thermique (en kcal/m.h. C), p représente la masse volumique (en kg/m3), c représente la chaleur massique (en kcal/kg. C), et a et b sont exprimes respectivement en m2/h et en kcal/m2. C. #h. On comprend que ces deux conditions seront simultanément satisfaites pour un matériau présentant une faible conductivité À. Il est à noter que À varie sensiblement comme p, de sorte que le coefficient d'arrachement b est très sensible à la nature du matériau constituant l'écran et peut varier dans un rapport pouvant atteinre 1 à 20 environ, alors que le coefficient de diffusivite a est peu variable avec x, (rapport de 1 à 2 en règle générale). Conformément à l'invention, la conductivité thermique À peut être choisie parmi une plage de valeurs allant environ de 0,05 à 0,5 kcal/m.h. C. Dans cette plage, se trouve, par exemple, la laine de kaolin (x = 0,15 kcal/m.h.0C, à 500 C). Dans ce cas on obtient un coefficient de diffusion thermique a valant 2,3 x 10-3 m2/h et un coefficient d'arrachement b de 2 kcal/m. C. 6, c1est-à-dire nettement plus faible que celle de l'acier (environ 220 kcal/m2. C. 6 , a 500 C) dont est généralement constitue le produit à examiner. La laine de kaolin precitée est à classer dans les substances réfractaires fibreuses. Si on fait usage d'un réfractaire fibreux, il est préférable de prendre en compte l'anisotropie du refractaire en ce qui concerne ses propriétés de transmission de la chaleur. A cet égard, il est souhaitable, conformément à l'invention, de structurer l'écran de façon que sa surface environnant partiellement la soudure chaude ne soit pas sécante, mais parallèle aux plans de fibres. On comprend qu'on évite ainsi tout risque de formation de gradients thermiques entre différents points de cette surface. L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects et avantages apparaî- tront plus clairement au vu de la description qui suit,donnée à titre d'exemple, et en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale du dispositif en position de mesure au-dessus d'un produit à examiner, - la figure 2 représente une variante de réalisation du dispositif mieux adaptée à son application à la détermination des-aractéristiques de marche d'un four, - la figure 3 représente une autre variante de réalisation du dispositif permettant de l'utiliser simultanément pour le repérage de la température d'un produit en cours de chauffage dans un four et pour la détermination de l'allure de marche du four. Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques. Sur la figure 1, on a représente en 1 le produit à examiner. Il s'agit d'une brame d'acier portée à haute température dans un four à rayonnement non représenté. On se propose de repérer sa température de surface. L'opération peut s'effectuer indifféremment à la sortie du four ou dans le four lui-même. De même, l'opération peut se realiser tant sur un produit 1 immobile qu'en deplacement (sens de la flèche). Conformément à l'invention le dispositif de mesure, representé en 2 comprend - un thermocouple 3 dont la soudure chaude 4 est à proximité de la surface 5 du produit à examiner, - un corps réfractaire 6, en laine de kaolin placé au-dessus de la soudure chaude 4. Ce corps,-ou écran, présente une certaine épaisseur, par exemple de 3 cm, ce qui lui permet notamment de constituer comme on le voit un support pour le thermocouple le traversant en 7. Le corps 6 est conformé en cuvette renversee et presente de ce fait une surface interieure 8 de forme concave qui environne partiellement la soudure chaude 4. Le corps 6 est maintenu dans un support annulaire 9 en acier. Ce support est articulé sur un bras porteur 10, autour de l'axe 11, au moyen de pattes 12 fixées sur une plaque de base 13. Le bras 10 est creux axialement pour permettre le passage du thermocouple 3. Pour la même raison, il présente à son extrémité 14 un évidemment central 15 à l'endroit de l'axe de rotation 11 prolongé par un perçage axial 16. Comme on le voit le bras porteur est a-- double paroi concentrique, 17 et 18, pour permettre son refroidissement par une circulation interne d'eau. Pour la mesure, le dispositif 2 peut affleurer la surface 5, ou reposer sur elle par l'intermédiaire des bords évasés 19 du corps 6. Il est clair cependant que, lorsque cela est possible (par exemple produit 1 immobile), l'opé- ration de mesure est facilite par la pose du dispositif sur le produit 1. Le corps 6 constitue ainsi un écran thermique vis à vis des parois rayonnantes du four et des gaz. Il coopère avec le produit à examiner pour former une enceinte close 20 dans laquelle est placée la soudure chaude 4.Il se crée donc dans cette enceinte un "micro-climat" insensible au milieu extérieur et qui en raison de la nature du materiau constituant le corps Ç, (explicitée précédemment) acquiert rapidement les caractéristiques thermiques de la surface 5 sans en modifier la température de façon sensible. On peut améliorer le temps de réponse de l'appareil ainsi que réduire son effet refroidissant à l'égard du produit à examiner au moyen de la pratique suivante consistant à préchauffer l'appareil : on préchauffe l'appareil en le plaçant quelques instants en un point voisin du point de mesure et on le porte ensuite au point de mesure. On obtient alors un temps dé mesure tres bref (quelques secondes) pendant lequel les gradients thermiques dans le produit à tester évoluent peu. Bien entendu, la forme concave de la surface 8 n'est pas limitative de l'invention, on peut envisager un écran 6 de forme plane. Dans ce cas, ce dernier ne saurait reposer sur le produit 1 et l'enceinte 16 serait ouverte latéralement. L'expérience montre que la qualité des resultats n'est guère affectee, tout ou moins en atmosphère calme. En atmosphère agitée, on comprend aisément qu'une circulation de gaz entre le corps 6 et la surface 5 peut fausser la mesure et que, pour y pallier, il est préférable d'opérer en enceinte close. La figure 2 illustre une application de l'appareil selon 7'invention à la détermination des caractéristiques thermiques du four lui-même, notamment en un endroit proche du produit à examiner. Contrairement au cas précédent, il s'agit cette fois de soustraire au point de mesure, matérialisé par la soudure chaude 4, l'influence pertubatrice du produit 1 en cours de chauffage. L'écran 6 doit alors se situer entre la soudure chaude 4 et le produit 1. C'est ce que représente la figure 2. Il est clair qu'il n'est nullement necessaire de realiser un nouvel appareil. On peut avantageusement utiliser le dispositif tel que décrit précédemnent en référence à la figure 1. Il suffit pour cela de retourner le dispositif comme le laisse clairement apparaître une comparaison entre les figures 1 et 2.La stabilité de l'ensemble à l'extrémité du bras porteur 10 est assurée par les bords de l'ouverture du support 9 par laquelle passe le bras 10, et qui fait office de butée, limitant ainsi l'amplitude du mouvement de rotation du support 9 autour de l'axe 11. Il n'est plus utile cette fois de réaliser autour du point de mesure une enceinte close. Il n'est donc plus justifié de conferer à la surface 8 une forme concave. Ainsi, pour cette nouvelle utilisation du dispositif, un écran 6 à surface 8 plane ou sensiblement plane apparaît mieux approprié. Ainsi mis en oeuvre l'appareil permet de déterminer la température equivalente résultant du rayonnement du four au point de mesure et peut à cet égard faire fonction d'instrument de mesure de flux thermique, instrument plus couramment dénommé "fluxmètre". Enfin, la figure 3 illustre une adaptation du dispositif selon l'invention de manière à réaliser un instrument remplissant conjointement deux fonctions distinctes, à savoir - le repérage de la température de surface d'un produit conformement à la description faite en référence à la figure 1, - et la détermination des caractéristiques de marche du four conformément à la description faite en référence à la figure 2. Comme on peut s'en rendre compte, facilement au vu de la figure, le dispositif comporte deux thermocouples 3 et 3', et un corps réfractaire 6 disposé entre les soudures chaudes 4 et 4'. Le bras porteur 10 est cette fois fixé lateralement sur le support 9. Les thermocouples passent par une ouverture 21 menagée à cet effet, dans le support 9 et prolongée par un perçage en T dans la masse du corps 6. La surface 8 en regard de la soudure 4 est de forme concave. Elle repose sur la surface 5 du produit de manière à réaliser une enceinte close 20. La surface 8' en regard est de forme sensiblement plane. La soudure 4 repère la température de surface du produit 1. La soudure 4' repère la température équi- valente du rayonnement du four à l'endroit où elle se situe. L'écran 6 soustrait simultanément la soudure 4 de l'influence pertubatrice de l'atmosphère du four et la soudure 4' de l'influence perturbatrice due à la présence du produit chauffé 1. Si les soudures 4 et 4' ne sont pas trop éloignées l'une de l'autre, on peut dire que la soudure 4' "voit" ou "ressent" l'action chauffante du four telle que la "voit" ou la "ressent" la surface du produit à chauffer, alors que la soudure 4 ressent le résultat de cette action. En d'autres termes, la soudure 4' reflète "la cause" et la soudure 4 "l'effet". Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, tant en ce qui concerne la forme de l'écran thermique que sa composition. Sur ce dernier point, on a cité la laine de kaolin, mais il est clair que d'autres substances peuvent convenir dans la mesure ou leurs caractéristiques se situent dans les plages de valeurs explicitées précédemirient, notamment tout réfractaire léger ou fibreux que l'on pourra se procurer facilement dans le cotrjrrce. De même, l'utilisation de thermocouple n'est justifiée qu'en raison de l'application du dispositif au domaine des températures élevées. On conçoit aisément qu'il ne saurait s'agir d'une caractéristique nécessaire de l'invention et que, selon la plage de température à explorer, tout autre organe de mesure est susceptible de convenir dans la mesure ou il presente, comme on l'aura compris, une tete thermo-sensible. REVENDICATIONS 1. Dispositif de repérage de temperature d'environnement par au moins un instrument de mesure comportant une tête sensible, caractérisé en ce qu'il comprend un corps présentant au moins une surface, plane ou concave, qui environne partiellement la tête sensible de l'instrument de mesure, et constitué par une substance réfractaire présentant une faible conductivité thermique. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la substance réfractaire constituant le dit corps présente une conductivité thermique comprise entre 0,05 et 0,5 kcal/m.h.tC environ. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérise en ce que le dit corps est un réfractaire fibreux et en ce qu'il est conformé de maniere que les fibres soient orientées parallèlement à la surface environnant partiellement la tête sensible du thermocouple. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dit corps est en laine de kaolin. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes carac térisé en ce que l'instrument de mesure est un thermocouple. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes carac térisé en ce que le dit corps est maintenu dans un support équipe de moyens de manutention comprenant un bras porteur et un organe d'articulation reliant l'extrémité du bras au support. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le bras support est à double paroi pour permettre une circulation interne d'eau de refroi pissement.