Brevet FR2514894A1 — publié le 19830422

L'invention est relative à la mesure optique des temnératures au moyen de pyromètres ohotoélectriques. Elle concerne,notamment, les pyromètres à détecteurs infrarouges destinés aux mesures des très hautes températures régnant dans les fours de traitement thermique qui sont utilisés pour l'élaboration de matériaux ou la fusion de métaux. Lorsqu'on pratique des mesures de températures dans des fours de traitement thermique en observant au moyen d'un détecteur photoélectriaue le rayonnement lumineux émis, on est habituellement gêné par les vapeurs condensables et/ou corrosives engendrées par des corps sublimés ou portés à l'état liquide. Ces vapeurs qui polluent le milieu ambiant obscurcissent et/ou détériorent la face d'entrée du détecteur photoélectrique, faussent donc les mesures et quelquefois les rendent même impraticables. Les mêmes inconvénients apparaissent lorsqu'on mesure les températures dans des foyers ou à la sortie de chambres de combustion de moteurs en présence de gaz chauds oxydants contenant des particules de carbone en suspension. Pour éviter ces inconvénients on a déjà proposé des dispositifs comportant un élément sensible au rayonnement lumineux, disposé à l'une des extrémités d'une sonde creuse de forme allongée, perçée à l'autre extrémité d'un orifice de faible section. On fait pénétrer la sonde dans la zone de mesure et on fait circuler à l'intérieur de la sonde un gaz neutre, sous une pression légèrement supérieure à la pression environnante de telle sorte qu'il s'établit à la sortie de l'orifice un débit de gaz qui s'oppose à l'entrée des vapeurs et des particules en suspension. Si, grâce aux dispositions orises, les vapeurs et les particules en suspension ne parviennent plus sur la face d'entrée du photo-détecteur, le rayonnement mesuré dépend encore de l'état de pollution du milieu ambiant qui filtre les radiations. En outre, si on utilise ces dispositifs connus pour déterminer la température d'un bain métallique, on doit se contenter de mesurer, à distance, le rayonnement émis par la surface du bain, la structure de la sonde, perçée d'un orifice à son extrémité, interdisant tout contact avec le liquide. Aux difficultés d'interprétation des mesures résultant de la présence de fumées à la surface du bain s'ajoutent les complications apportées par le besoin de connaître avec une précision suffisante le pouvoir émissif du métal pour en déduire sa température. Avec ces dispositifs, on n'est donc pas assuré de la précision ni de la fidélité des mesures effectuées dans les milieux gazeux conta minant ou dans les bains de taux en fusion. L'invention a donc pour objet un nyromètre ontique ne présentant Das les inconvénients cités et permettant d'effectuer des mesures de température directement dans le milieu 9 étudier. L'aooareil est utilisable aussi bien tiens les milieux gazeux où l'échange de chaleur avec la sonde se fait par rayonnement thermique ou convection, que dans les milieux liquides, tels les bains de métaux fondus, où l'échange de chaleur avec la sonde se fait pas conduction. I1 trouve des applications intéressantes pour les mesures dans les fours fonctionnant en atmosphère neutre ou réductrice, sous vide ou sous pression. Conformément à l'invention le Dyromètre comprend un corps prolongé par une sonde opaque qui présente un canal central rectiligne débouchant dans le corps, un détecteur photo-électrique et des moyens de mesurer le rayonnement détecté et il est caractérisé en ce que la sonde est fermée à son extrémité libre par une paroi opaque de manière à former une cavité absorbant la chaleur de la zone de mesure et rayonnant, en direction du détecteur photo-électrique, une énergie de radiation en fonction de la quantité de chaleur absorbée. Pour produire un rayonnement intense, la cavité doit être usinée avec soin afin que le fond soit sensiblement isotherme, et ses dimensions doivent etre choisies en fonction du matériau utilisé et du domaine de températures à mesurer. Les matériaux constituant la sonde doivent présenter une bonne résistance à la corrosion, d'excellentes propriétés de résistance mécanique aux températures à mesurer et une conductivité thermique limitant la transmission de chaleur vers le détecteur photo-électrique. La sonde peut être réalisée en une seule pièce ou comporter une extrémité rapportée constituée en un même matériau ou en un matériau différent. Dans le cas de matériaux différents, l'extrémité rapportée est, de préférence, conformée Dour constituer elle-même la cavité rayon nante. Avantageusement, on réalise alors la sonde en deux cartiers. La première partie, constituant la cavité rayonnante est usinée dans un matériau bon conducteur de la chaleur, ayant des caractéristiaues voisines de celles du corps noir, comme un matériau à base de graphite ou un métal réfractaire, tel que du carbure de tantale.La deuxième partie constituant ltélément supoortant la cavité est réalisée en un matériau de plus faible conductivité thermique comme un matériau carboné non graphité, tel que du carbone vitreux, ou bien un oxyde réfractaire tel que l'alumine. Les róalisations en matériaux carbonés conviennent bien aux mesures de température en atmosphère réductrice ou neutre, sunérieures î 100 ' ; tandis que les réalisations en matériaux métallicues et oxydes réfractaires sont destinées aux mesures de température dans les bans e métaux fondus. Lorsque la sonde est destinée à mesurer la temnérature de bains métalliques il faut, pour éviter des réactions chimicues avec le bain, la recouvrir d'un revetement protecteur. Ainsi, dans une réalisation monobloc en molybdène, l'extrémité de la sonde en contact avec le bain est protégée nar un revêtement d'alumine déoosé, par exemple, par projection du chalumeau oxyacétylénique ou au chalumeau è plasma. L'invention est illustrée par les figures cui représentent fig. 1 : une coupe schématique longitudinale d'une forme de réalisation d'un pyromètre conforme à l'invention, utilisable dans les fours de graphitation. fig. 2 : des couses longitudinales de sondes utilisables avec le pyromè tre de la figure 1. fig. 3 : le schéma fonctionnel de montage des éléments optiques mis en oeuvre dans le pyromètre de la figure 1. Dans la réalisatIon de l'invention reorésentée figure 1, le Pyromètre, de forme cylindrique, comprend - une partie avant comportant une sonde tubulaire 1, - un corps central 9, portant la sonde et supportant un détecteur Dhoto-- électrique comprenant un système ontique 2 et un élément électronique 3 faisant partie d'une chaîne de mesure non représentée, - un capot de protection 4 délimitant, à l'arrière de l'appareil, une enceinte fermée 5. Le système optique 2 et l'élément électronique 3, solidaires par une entretoise 6, sont montés sur un équipage 7, mobile en translation suivant l'axe longitudinal du nyromètre grâce à une bague moletée 8, filetée intérieurement et coopérant avec un filetage du corps 9. Le capot de protection 4, fixé sur le corps du pyromètre Dar des vis 10 est muni d'un connecteur ll branché, Dar l'inWermédiaire d'un conducteur électrique, a la sortie de l'élément électronique 3. La sonde l est rendue solidaire du corps du pyromètre au moyen d'une pièce 14 s'appuyant sur une entretoise 13 et maintenue par des vis 15. La pièce lA assure le centrage de la sonde et son refroidissement. Elle comporte une partie massive 15 dissipant la chaleur et une tarti creuse 17 formant un réservoir annulaire 13 dans lequel on fait circuler par les conduits 19 et 20, un fluide réfrizérant. ans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, la sonde 1 comprend un tube étais 21 en carbone teu poreux fer-. hermé tiouement à son extrémité par un embout démontable en orchite 22 formant une cavité rayonnante 23 obtenue en forant un Duits cylindrique de diamètre 6 mm et de profondeur 30 mm environ. Elle peut être remplacée par une sonde monobloc (fig. 2a) usinée dans un barreau cylindrique cu par une sonde fermée hermétiquement au moyen d'une paroi rapportée soudée (fig. 2b) ou d'un embout amovible à fond plat (fig. 2c'. Pour permettre le réglage du Pyromètre, le système opticue 2 monté sur l'équipage mobile 7 (fig. 1) coulisse dans une partie cul n drique 30 du corps 9 de l'appareil. Il comporte (fig. 3! Insérés dans un tube 31, un diaphragme d'ouverture 32 limitant l'angle solide du rayonnement émis par l'embout 22, une lentille plan convexe 33 en borosilicate et un diaphragme de champ 34 formant sur une photodiode au silicium 36 l'image de la surface rayonnante 35 située dans le plan transversal à la sonde passant par l'extrémité de l'embout 22. Pour focaliser l'image de la surface rayonnante 35 sur la surface sensible de la photodiode, on déplace l'ensemble mobile 7 par rapport à l'embout rayonnant, en tournant la bague moletée 8. La sortie de la photodiode est branchée à l'entrée de l' lé- ment électronique 3 qui comprend un préamplificateur, de faible i-..-pé- dance de sortie, délivrant un signal électrique à rapport signal/bruit élevé. Dans cette réalisation, s'appliquant bien aux mesures dans des fours de graphitation fonctionnant sous une pression de 13 Pa et dans une gamme de température comprise entre 1500 K et 3000 K 1 caral central de la sonde est relié au moyen d'un conduit 24 (fig. ll à une source de gaz chimiquement neutre, comme de l'argon ou de l'azote, sous une cession voisine de 20 Pa. En outre, l'enceinte fermée 5, délimitée par le corps 9 et le capot 4, est mise a la ême pression que le canal central en la reliant aussi par le conduit 25 à la source de gaz neutre. On évite ainsi, d'une part, la diffusion par les pores du carbone et du graphite de vapeurs corrosives et/ou condensables vers la lentille plan convexe 33 du système optique et, d'autre part, les contraintes exercées sur les éléments optiques du fait de la faible pression régnant dans la sonde. ans une première variante de réalisation la sonde comprend un tube en oraphite de porosité Z', de longueur 170 mm et de diamètre extérieur 12 cm, et un embout rayonnant amovible également en graphite de porosité 2y*. Dans une deuxième variante de réalisation, utilisée dans un bain de nickel fondu dont la température est voisine de 1700 X, la sonde comprend un tube et un embout en alumine. Les dimensions et la forme de la cavité rayonnante sont pratiauement les mêmes oue dans les exemples de réalisation précédents. Une variante de réalisation du pyromètre consiste à disposer a la place de la photodiode 36, l'extrémité d'une fibre optique transpor- tant le signal lumineux dans une ambiance à l'abri des parasites électriques engendrés par les installations industrielles. L'invention réalise la séparation totale entre le milieu am biant et les moyens de mesure et conduit à la fabrication de pyromètres utilisables dans des milieux, gazeux ou liquides, pollués, dans une plage de température comprise entre 900 K et 4000 K et fournissant des résultats avec une précision voisine de + 2 , par étendue de mesure de 1500 K. Le fonctionnement à long terme de ces appareils n'est pratisue- ment pas perturbé par la présence de vapeurs condensables et/ou corrosives ou de particules en suspension et le nombre d'opérations de maintenance habituelles est donc considérablement réduit. Un pyromètre réalisé par le demandeur comportant une sonde en graphite, de porosité 2%, plongée dans un milieu gazeux à 3000 K et à la pression de 133.10 Pa ne nécessite plus qu'une maintenance annuelle. Outre les mesures de température dans les fours de graphitation et les bains de métaux fondus, le pyromètre conforme à l'invention trouve de nombreuses autres applications industrielles comme, par exemple, le pilotage et la régulation de fours industriels et les mesures dans les gaz chauds. RE'wElDIATIOtS 1 - Pyromètre optique, notamment gyromètre Infrarouae, comorenant un corps 2 - Pyromètre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde est monobloc. 3 - Pyromètre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde est constituée par un tube (21) fermé hermétiquement par une paroi opaque rapportée. d - Pyromètre optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi opaque rapportée est amovible. 5 - Pyromètre optique selon l'une quelconque des revendications 3 ou o, caractérisé en ce que la paroi opaque rapportée est un embout creux (22) usiné dans un matériau absorbant la chaleur pour former une cavité rayonnante (23). 6 - Pyromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la sonde (1) est constituée en un matériau à base de graphite. 7 - Pyromètre optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la sonde (1) est constituée en graphite ayant une porosité voisine de 26. 8 - Pyromètre optique selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que la sonde (1) est constituée en un métal réfractaire. 9 - Pyromètre optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube t21) est constitué en un matériau choisi parmi les oxydes réfractaires et en ce que l'embout (22) est constitué en un étal réfractaire revêtu d'une couche d'alumine. 10 - Pyromètre optique selon l'une quelconque des revendications l à 9, caractérisé en ce que le détecteur photo-électrique comprend une fibre optique reliée à une photodiode située à distance. 11 - Pyromètre optique selon l'une cuelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que le canal central de la sonde (1! et l'enceinte fermée (5) contenant le détecteur photo-électricue (2, 3 sont reliés à une source de aaz chimiquement neutre à faible pression. 12 - Pyromètre optique selon l'une quelconoue des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde est maintenue et refroidie au moyen d'une pièce de centrage (-14) comportant une partie massive (16) et une partie creuse (17) pour la circulation d'un liquide de refroidissement.