Brevet FR2498322A1 — publié le 19820723

- 1 - La présente invention concerne un procédé de mesure de température de corps cylindrique de longueur infinie, en déplacement suivant sa longueur, cette mesure s'effectuant indépendamment du pouvoir émissif du corps, par détection du rayonnement infrarouge. La mesure et le contrale de température de corps cylin- drique en déplacement suivant leur plus grande longueur, par éxemple les fils et les barres, est un problème industriel qui se pose de plus en plus fréquemment. Par éxemple dans les câbleries la connaissance de la température du fil avant enrobage de matière plastique permet d'améliorer le processus d'enrobage. Par éxemple dans les tréfileries la connaissance de la température du fil après passage dans une filière permet d'éviter des accidents en modifiant la vitesse d'étirage. Cette invention est basée sur un principe bien connu de thermique, décrit notamment par le Professeur Desvigne dans son cours sur le rayonnement thermique à l'Institut d'optique: Quand un corps quelconque, dont le facteur d'émission est A, se trouve à l'intérieur d'une enceinte constituant corps noir, et si L' est la luminance du corps noir à la températu- n re du fil, et Ln la luminance de ce même corps noir à une au- tre température, La luminance du corps quelconque est: Lf = A LI + (1-A) L Si sur un même détecteur de rayonnement infrarouge on me- sure la luminance du corps quelconque Lf et la luminance du corps noir Ln à une autre température, et si la différence des signaux obtenus correspond à la luminance de signal L: L =Lf -L = A L11 - L -A LI + (1-A) L - L L Lf nA Ln Ln An n n = A (Ln - Ln) Si la température du corps quelconque est celle du corps noir, L' - L, et la différence des signaux est nulle. Sur la base de ce principe connu, on fait passer le corps cylindrique en déplacement suivant sa plus grande longueur à travers une enceinte chauffée constituant corps noir. Le brevet français n3 2.109.406, déposé le 15 octobre 1970 par le Laboratoire d'Electronique et de Physique Appli- -quée (LEP) et dont la délivrance a été publiée le 26 mai 1972 -2concerne un procédé et dispositif de mesure de température de fil en mouvement suivant leur longueur - le fil défile devant un fond noir porté à température uniforme - et grace à une lu- nette et un miroir oscillant on focalise sur un détecteur sen- sible à l'infrarouge les rayons parallèles issus du fil et du fond noir, au foyer du système optique. tette disposition a l'avantage d'assurer une mesure de tem- pérature indépendante de la position du fil dans le fond noir mais aussi l'inconvénient d'un très faible rendement optique en raison de la faible proportion des rayons infrarouge qui sont sensiblement parallèles à l'axe optique - et qui sont alors fo- calisés sur l'élément sensible Le brevet français ne 69370 déposé la 23 janvier 1979 par la Société Eurotherm reprend en les perfectionnant les disposi-e tions du brevet LEP antérieur, mais le dispositif optique de convergence (un miroir sphérique + un miroir plan) est utilisé pour faire converger, comme dans un pyromètre classiques le rayonnement issu du filet du fond noir, dans unangle solide déterminé par la position du fil et l'ouverture optique - au lieu de n'utiliserque le rayonnement parallèle. Cette disposition, utilisée couramment en pyrométrie, a l'avantage de faire croître de façon importante le rendement de l'optique - par contre les déplacements et vibrations du fil se traduisent par une instabilité en fréquence et en niveau du signal de sortie du détecteur, à. ce que c'est l'image du fil sur le détecteur qui produit le signal de sortie, et si le fil dans un sens perpendiculaire à son déplacement, le facteur temps intervenant, le signal change de fréquence ou de niveau, puis- que la détection synchrone reste inchangée dans le temps. La présente invention a pour avantage de pallier à cet in- convénient, en n'utilisant plus le fil comme origine du signal avec sa détection synchrone, mais toute l'image contenant le fil, quelque soit sa position, en employant deux visées, 1' une vers le fil l'autre vers le fond noir et en passant de 1' une à l'autre par effet de diaphragme, à la manière d'un fon- du enchaîné continuel. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description -3- - 3- 2498322 du mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, avec les figures annâxées: - la figure 1 est le schéma de principe du dispositif de mesu- re, objet de l'invention, à l'exception de la partie électro- nique. - la figure 2 représente le disque d'obturation qui joue un r8- le important. - les figures 3 4 et 5 représentent en fonction du tempsles signaux.électriques sortant du détecteur de rayonnement infra- rouge. - la figure 6 représente le schéma électronique du dispositif objet de l'invention. - les figures 7 8 9 10 et 11 illustrent les signaux électri- ques produits dans le schéma électronique de la figure 6. - enfin la figure 15 illustre la partie mécanique du dispositif objet de l'invention. Référence est maintenant faite à la figure 1 On a représenté en (1) le fil dont on veut connaitre la température. Il se déplace dans une enceinte (2) constituant corps noir, et comme telle, faite de matériau dont l'état de surface lui confère un pouvoir émisasif élevé. Pour uniformiser la température de l'enceinte, celle ci est entourée d'une enveloppe isolante - elle est constituée d' un matériau métallique de grande conductibilité thermique, par éxemple un bronze cupro-chromezirconium, qui présente aussi l'avantage d'une bonne résistance mécanique. La surface inté- rieure est revêtue de graphite. Cette enceinte constituant corps noir est chauffée par des résistances électriques (3). En l'absence de fil, le rayonnement émis par la même pe- tite portion de corps noir (4) est concentré suivant deux voies distinctes par les lentilles (5) et (6) et les miroirs plan (B) et (9) sur la m8me surface sensible du détecteur infrarouge (11). Le fil vient interrompre partiellement ou totalement 1' une de ces voies - l'avantage de viser une même petite portion au lieu de deux portions différentes, une pour chaque voie, _ 4 -_ 2498322 comme dans l'addition du brevet n2 69370 est que l'on est cer- tain d'être à la même température - alors que les températures sont différentes si les z nes visées sont distinctes. L'une et l'autre visée est successivement interrompue par un disque à fentes (7), entraîné par un petit moteur synchro- ne (10). On se réfère maintenant à la figure (2), qui représente le disque à fentes utilisé. Celui ci est placé le plus près possible des lentilles (5) et (6), de façon que l'obturation des lentilles crée un effet de diaphragme Si (12) et (13) illustrent les ouvertures respectives des lentilles (5) et (6) les dimensions des fentes du disque (7) sont telles que la sur- face obstruée sur une ouverture est égale à celle ouverte sur l'autre ouverture - on peut dire aussi que la somme de la sur- face obstruée et de la surface ouverte reste constante. Cette disposition permet de faire apparaître avec la même progréssivité sur l'élément sensible touts l'image provenant de la première vois qui remplace.celle provenant de la seconde voie, et de les faire disparaitre avec la mêma progressivité. On a représenté schématiquement sur la figure 15 le dis- positif mécanique d'entraînement du disque à fentes et le dis- positif (14) qui produit le signal de synchronisme. Le moteur (10) entrains directement le disque (7). En (11) est monté un phototransistor qui produit les signaux de synchronisme. La détection du fil (1) s'effectue par l'optique (6), le miroir (9) et aboutit au détecteur de rayonnement infrarouge (11). L'autre vois passe par le bloc optique (5), le miroir (8) pour aboOtir au même détecteur (11). On se réfère maintenant aux figures (3) (4) et (5). En l'absence de fil, ou si le fil est à la même tempéra- ture que le fond noir, le rayonnement passant par la 1) voie est égal au rayonnement passant par la seconde voie. Le signal de sortie est alors plat comme indiqué sur la figure 4 * La fi- gure 3 illustre le cas d'un fil plus chaud que le fond noir: le rayonnement passant par la 1) voie est progressivement plus important pour atteindre un maximum - puis le rayonnement de la 2) voie remplace progressivement le rayonnement de la 1) _ 5 _ 2498322 voie jusqu'à atteindre une valeur minimale La figure 5 illustre le cas d'un fil moins chaud qu le fond noir - le rayonnement passant par la 1) voie chassant pro- gressivement celui de la 2) voie atteint une valeur minimale - puis il est progressivement remplacé par le rayonnement issu de la seconde voie correspondant à la visée du fond noir qui est plus importante jusqu'à atteindre une valeur maximale. Les courbes des figures 3 à 5 représentent en fonction du temps les tensions de sortie du détecteur après le condensa- teur de liaison (16) qui a pour objet de rendre la courbe symé- trique par rapport à la masse On notera que, placé devant l'optique, le disque (7) par lui même est pratiquement sans effet sur le détecteur, car il se situe en dehors des conditions de convergence du flux. On remarque que les courbes des figures 3 et 5 sont en opposition de phase - et qu'une -alternance, celle correspondant à la visée du fil,-est représentative de la température de ce- lui ci par rapport à la température-du corps noir, puisqu'elle se rapporte à l'ensemble de la visée du fil dont toute l'image apparait et disparait sur le détecteur - et non sur une partie de l'image Cette remarque conduit à une importante simplification du circuit électronique, et évite-notamment d'utiliser des cir- cuits de détection synchrone - comme le font les deux brevets français cités ci-dessus. Le circuit électronique a pour objet d'éliminer une alternance sur deux, de repérer la bonne alter- nance correspondant au fil, de la mesurer, de repérer sa pola- rité, puisqu'elle est positive si le fil est plus chaud que le corps noir, et négative si le fil est plus froid. Si on se réfère à la figure 2, un phototransistor est placé en (14) pour détecter la position du disque (7) - et plus particulièrement repérer l'alternance utile des figures 3 ou 5, ce phototransistor donnant une impulsion au passage du disque On se réfère maintenant à la figure 6, illustrant le circuit électronique de l'appareil objet de la présente inven- tion.. e, 6- Le détecteur infrarouge produit en(15) une tension alter- native, qui passe à travers l'ensemble capacité/résistance (16) afin d'éliminer toute composante continue. Ces alternances sont amplifiSées dans le circuit (17), le rapport d'amplification étant déterminé par la valeur de la résistance (18). Il sort en (19), après l'ensemble capacité/résistance, une tension alternative amplifiée et symétrique par rapport à la masse, illustrée par les figures 3 4 et 5. Il entre en (20) des im- pulsions provenant du phototransistor (14) de la figure 2. Ces impulsions sont représentées sur la figure 7. Elles sont amplifiées en (21) de la figure 6. Le potentiomètre (22)a pour objet d'éliminer l'offset après amplification. Il sort en (23) et (24) des impulsions positives ou néga- tives illustrées sur les figures 8 et 9. La tension alternative amplifiée provenant du détecteur sort en (19) passe dans deux branches, l'une annulant l'alter- nance positive.par la diode. (26), l'-autre alternance négative par la diode (30). Les transistors (25) et (29) normalement passant grace aux courants circulant à travers les résistances (24) et (28), sont bloqués et non passant lorsqu' arrive sur leur base les ten- sions illustrées sur les figures 8 et 9. Il sort en (31) des tensions dont les formes sont illus- trées sur les figures 10 ou 11 ou 4, représentatives de la tem- pérature du-fil. Ces tensions passent dans le filtre passe bas (32), et il en sort une tension continue positive, négative ou nulle illustrées sur les figures 12 13 et 14 -. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour la mesure par thermométrie infrarouge de la température d'un corps cylindrique de grande longueur en le faisant passer dans une enceinte constituant corps noir, ledit procédé consistant à comparer par deux visées successives le rayonnement infrarouge émis par le corps cylindrique avec celui émis par le fond noir, ces deux visées étant effectuées par deux lentilles convergentes passantes dans l'infrarouge, et deux miroirs plan pour diriger le rayonnement capté sur un même récepteur infrarouge, caractérisé en ce que, en l'absence du corps cylindrique, on fait aboutir les deux visées optiques à la même zone de fond noir, et en ce que l'on obture successivement le rayonnement de l'une et l'autre visée par un disque à encoches placé contre les lentilles, de façon à créer un effet de diaphragme, les encoches du disque étant disposées de telle façon que l'apparition progressive de l'image d'une première visée correspond à la disparition progressive de l'image de la deuxième visée, jusqu'au très court instant o seule apparaît l'image de la première visée, qui tout aussitôt disparaît progressivement, alors qu'apparaît progressivement l'image de la deuxième visée, jusqu'au très court instant o seule apparaît l'image de la deuxième visée, o à tout instant la surface cachée de la première visée est égale à la surface ouverte de la seconde visée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait apparaître et disparaître successivement et progressivement des images des deux visées précédentes sur le détecteur infrarouge à la sortie duquel on collecte une tension alternative de forme triangulaire en raison de la complémentarité des surfaces cachées et ouvertes des deux visées, chaque alternance triangulaire étant représentative de la température du rayonnement émis par le fil en fonction du fond noir, et en ce que l'on traite chaque alternance par un circuit électronique repérant la même alternance de visées et délivrant une tension de sortie positive, négative ou nulle suivant que le corps cylindrique est plus. chaud ou plus froid ou à la même température que le corps noir.