Brevet FR2513759A1 — publié le 19830401

La présente i vention concerne un instrument à thermocouple et, plus spécialement, un instrument à thermocouple possédant-une structure qui lui permet de supporter des vibrations et des chocs vigoureux. Un instrument à thermocouple classique, qui a été utilisé jusqu'ici, par exemple dans un moteur d'aéronef, pour mesurer la température du moteur lui-même ou celle du gaz d'échap- pement du moteur, utilise, pour supporter la haute température et l'atmosphère corrosive, une structure dans laquelle un élément de thermocouple constitué de deux conducteurs non semblables réunis par leurs extrémités est monté avec une poudre isolante dans un tube métallique protecteur interne qui est lui-même monté dans un tube protecteur métallique externe Pour éviter des pertes de réponse à la détection de la température dans cette structure, il est nor- malement prévu un volume d'air dans la partie terminale du tube protecteur métallique externe, et deux petits trous sont formés sur les deux surfaces latérales des extrémités du tube protecteur, Si bien que le gaz dont la température doit être mesurée passe par les petits trous pour arriver dans le volume d'air. Lorsque l'on utilise cet instrument à thermo- couple pour mesurer la température du moteur d'aéronef lui-même ou celle du gaz d'échappement du moteur, l'instrument à thermocouple est exposé à des vibrations et des chocs vigoureux Lorsque l'ins- trument à thermocouple ainsi construit est exposé à ces vibrations et ces chocs sévères, les tubes protecteurs métalliques internes et externes viennent violemment en contact l'un avec l'autre et s'endom- magent. Ainsi, ont été effectués jusqu'ici divers essais pour fixer à demeure les tubes protecteurs externe et interne l'un sur l'autre Toutefois, la fixation s'est révélée insuffisante, d es pièces supplémentaires ont dû être employées, et la structure de l'instrument s'est donc compliquée, ce qui entratne des diffi- cultés pour fixer ensemble les tubes protecteurs externe et interne. Un but de l'invention est de proposer un instrument à thermocouple qui possède une excellente résistance aux v brationa ainns qu'a-= chccs à terpéreture élevée at dains lequel un tube métallique protecteur interne destiné à contenir un élément de thermocouple est rigidement monté et retenu à l'intérieur d'un tube métallique protecteur externe. Selon l'invention, il est proposé un instrument à thermocouple comprenant un élément de thermocouple formé de deux conducteurs dissemblables réunis par leur extrémité; un tube métal- lique protecteur interne destiné à contenir l'élément de thermocouple avec un matériau isolant et électriquement isolé de l'élément de thermocouple par l'intermédiaire du matériau isolant; et un tube métallique protecteur externe dans lequel est inséré le tube métal- lique protecteur interne, o le coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube métallique protecteur interne n'est pas inférieur au coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube métallique protecteur externe. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à, donner une meilleure compré- hension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un instrument à thermocouple selon un mode de réalisation de l'inven- tion; la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la partie terminale de l'instrument à thermocouple de la figure 1 et les figures 3 A et 3 B sont des vues en coupe respectives montrant les étapes de fabrication de l'instrument à thermocouple de la figure 1. Sur la figure 1, on peut voir une vue en coupe d'un instrument à thermocouple selon un mode de réalisation préféré de l'invention Sur la figure 1, un tube protecteur externe l est formé d'un métal possédant une excellente résistance à la cor- rosion et à la chaleur, comme par exemple un métal "Hastelloy XU Ce tube protecteur externe 1 est formé d'un cylindre qui est fermé à une extrémité et qui est ouvert à la base Des trous 2 a, 2 b destinés à laisser passer du gaz, par exemple du gaz d'échappement dont la température peut être mesurée, sont disposés en regard sur la paroi 13759 périphérique de l'extrémité du tube protecteur externe 1 Un thermo- couple 3 du type blindé est moulé solidairement par application de pression et contient des fils 5 et 6 de l'élément de thermocouple et des poudres isolantes 7 et 8 dans le tube de protection interne 4. Les fils 5 et 6 sont des conducteurs dissemblables réunis par leur extrémité, Le tube protecteur interne 4 est formé d'un métal dont le coefficient de dilatation thermique est égal ou supé- rieur à celui du métal formant le tube protecteur externe Le tube protecteur interne 4 est de préférence formé d'un métal résistant à la corrosion et à la chaleur Dans ce mode de réalisation, le tube protecteur interne 4 est formé de "Inconel 600 " Le coefficient de dilatation thermique de l"'Inconel 600 " constituant le tube protecteur interne 4 est d'environ 13,4 x 106 OC, tandis que le coefficient de dilatation thermique de l"'Hastelloy X" constituant le tube protecteur externe 1 est d'environ 7,7 x 10 oc Même si le coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur interne 4 est égal au coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur externe 1, on peut obtenir des effets de fixation prédéterminés On peut obtenir des effets de fixation plus rigides lorsque le coefficient du métal du tube interne est plus élevé que celui du tube externe, et ceci est par conséquent préféré Il est préférable que le coefficient du métal du tube interne soit supérieur d'environ 2 à 10 x 1 o 6 c Il est encore plus préférable que le coefficient du métal du tube interne soit supérieur d'environ 3 à 8 x 106 C La combinaison préférable des deux métaux est indiquée dans le tableau suivant. TABLEAU Métal Coefficient de dilatation (pourcentage pondéral) thermique ( 10-6 OC 1) Cr: 18 %, Ni:12 %, Ti: (SUS 316) = Cr: 21 %, AI: 1 %, Ti: 2,5 %t Ni le reste 6, 2 (NIMONIC 8 QA) TABLEAU (suite) Le tube protecteur interne 4 est constitué d'un corps cylindrique L'extrémité 4 a du tube protecteur interne 4 a un diamètre plus petit que l'autre extrémité et est donc d'une forme convergente, l'autre extrémité du tube protecteur interne 4 étant ouverte L'extrémité 4 a du tube protecteur interne contient la jonction terminale des fils 5 et 6 formant l'élément de thermocouple. Le diamètre de l'extrémité 4 a est conçu en fonction de la capacité de réponse de mesure de température, et sa longueur est suffisante pour entourer la jonction des fils 5 et 6 Le sommet 4 b de l'ex- trémité 4 a du tube protecteur interne 4 peut être solidairement formé avec le tube protecteur interne 4, mais il peut également être formé distinctement et être réuni par soudage à l'extrémité 4 a du tube protecteur interne 4. Les fils 5 et 6 sont disposés suivant l'axe du tube 4 Les extrémités des fils 5 et 6 sont reliées par soudage et sont disposées a l'intérieur de l'extrémité 4 a du tube interne 4. Métal Coefficient de dilatation (pourcentage pondérai) thermique ( 10-6 C-l) Tube Cr: 22 %, Co: 1,5 %, protecteur Mo:9 %, Ni: le reste 7,7 externe (Hastelloy X) Ni + Co: 72 % Cr: 16 %, Fe: le reste 13,4 (Inconel 600) Ni:32 %, Cr: 21 %, Fe:le reste 14,3 Tube (Inconel 800) protecteur interne Cr:19 %, Fe: 18 %, Mo: 3 %, Ti: 1 %, 15 Ni: le reste (Inconel 718) Ni+ Co: 70 %, Cr: 15 %, Ti: 2,5 % 12,6 Fe: le reste (Inconel X 750) 13759 Les fils 5 et 6 sont formés de la combinaison de métaux de différents types, comme par exemple platine-platine rhodium, almel-chromel, etc. La poudre isolante 7 remplit l'espace allant du corps du tube interne 4 à une partie de l'extrémité 4 a du tube interne 4 Une poudre isolante 8 d'une autre espèce remplit la partie entourant l'extrémité de jonction des fils 5 et 6 de l'ex- trémité 4 a du tube interne 4, et les deux poudres isolantes 7 et 8 sont respectivement maintenues de façon à entourer l'entièreté des fils 5 et 6 dans le tube interne 4 Les poudres isolantes 7 et 8 isolent électriquement les fils 5 et 6 vis-à-vis du tube interne 4. En particulier, la poudre isolante 8 transfère rapidement la tempé- rature à mesurer jusqu'à l'extrémité des jonctions des fils 5 et 6. La poudre isolante 7 peut être par exemple de la magnésie (Mg O). La poudre isolante 8 peut être par exemple une poudre contenant comme principal constituant du nitrure de bore (BN) ou de l'oxyde de béryllium (Be O), présentant une plus grande conductivité ther- mique que le matériau isolant général du type magnésie. La base du tube protecteur interne 4 est hermétiquement fermée par un élément d'étanchéité 9, qui est formé de verre, de silicone, d'une résine résistant à la chaleur, etc, et les fils 5 et 6 passent à l'extérieur au travers de l'élément d'étanchéité 9 En général, la base du thermocouple du type blindé n'est pas nécessairement fermée hermétiquement, mais elle peut l'être selon les conditions En d'autres termes, l'instrument à thermocouple, par l'existence de l'élément d'étanchéité 9, peut être utilisé dans des milieux plus agressifs o un brouillard d'huile est projeté, comme par exemple à l'intérieur du moteur d'un aéronef. Le thermocouple de type blindé 3, qui est constitué du tube protecteur interne 4, des fils 5 et 6 et des poudres isolantes 7 et 8, est inséré dans le tube protecteur externe 1, et est maintenu fixé au tube externe 1 par soudage des bases des tubes interne 4 et externe 1 ou par réduction du diamètre de la base du tube externe 1. 13759 L'instrument à thermocouple ainsi construit peut être par exemple installé dans le passage du gaz d'échappement du moteur d'un aéronef et il peut être utilisé pour mesurer la température du gaz d'échappement Dans ce cas, le gaz d'échappement dont la température est à mesurer est introduit par les trous 2 a et 2 b jusque dans le volume d'air existant à l'extrémité du tube protecteur externe 1 de façon à remplir le pourtour de l'extrémité 4 a du tube interne 4 servant àcontenir la partie de jonction des fils 5 et 6 La température du gaz d'échappement est mesurée de telle manière que la température du gaz est transmise au travers de la poudre isolante 8 jusqu'à l'extrémité de jonction des fils 5 et 6, ce qui entralne la production d'une force thermoélectrique entre les fils 5 et 6, cette force thermoélectrique étant mesurée par un ins- trument raccordé aux fils 5 et 6. Ainsi que cela a été décrit ci-dessus, lorsque l'instrument à thermocouple selon l'invention est conçu pour mesurer la haute température du gaz d'échappement d'un moteur d'aéronef, par exemple une température de 700 à 1400 'C 3 le volume d'air existant entre le tube protecteur interne 4 et le tube protecteur externe 4 disparaît par suite de la dilatation thermique du tube protecteur interne 1, et le thermocouple de type blindé 3 est retenu rigidement sur le tube externe 1 dans lequel il est monté et maintenu Ainsi, même si des vibrations et des chocs sévères sont appliqués à l'ins- trument à thermocouple selon l'invention lorsque celui-ci est placé dans le courant de gaz d'échappement qui circule à une vitesse très élevée, la surface externe du tube protecteur interne 4 ne vient pas violemment en contact avec la surface interne du tube protecteur externe d'une manière pouvant l'endomaager Lorsque des vibrations et des chocs sont appliqués à l'instrument à thermocouple classique dans des conditions de température élevée, il apparatt des problèmes tels que déconnexion ou déformation des fils, et isolation ddfec- tueuse entre les fils et le tube protecteur interne, par suite de la déformation des fils, Toutefois, avec l'instrument à thermocouple de l'invention, ces problèmes n'apparaissent pas du tout Puisque le thermocouple du type blindé 3 peut être maintenu dans le tube protecteur externe 1 sans qu'il soit besoin de faire appel à une pièce de support, les problèmes décrits ci-dessus peuvent être résolus tout en conservant une structure simple à l'instrument à thermocouple selon l'invention. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, le diamètre de l'extrémité 4 a du tube interne 4 peut être rendu plus petit que l'autre partie Puisque la distance séparant la surface externe de l'extrémité 4 a du tube interne 4 et l'extrémité de jonction des fils 5 et 6 peut être raccourcie dans ce cas, la température du gaz d'échappement peut être transmise à l'extrémité de jonction des fils 5 et 6 en un temps extrêmement bref, ceci améliorant la capacité de réponse pour la mesure de la température. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on utilise du nitrure - de bore ou de l'oxyde de béryllium, qui possèdent une conductivité thermique élevée, comme poudre isolante 8 destinée à entourer l'extrémité de jonction des fils 5 et 6, si bien qu'il est obtenu une amélioration supplémentaire de la capacité de réponse à la mesure de température L'utilisation du nitrure de bore ne se limite pas à l'extrémité 4 a du tube interne 4, mais peut également être étendue au remplissage de l'autre partie. Le thermocouple du type blindé 3 selon l'invention peut être par exemple fabriqué de la manière indiquée ci-dessous. Comme le montre la figure 3 A, avant de réunir l'extrémité 4 b à l'extré- mité 4 a on commence par insérer les fils 5 et 6 dans le tube-pro- tecteur interne 4, et on le remplit de la poudre isolante 7 Ensuite, on effectue l'étirage de llextrémité 4 a Pour l'étirage, on fait appel à un emboutissage A ce stade, les extrémités des fils 5 et 6 ne sont pas encore reliées, mais ils sont disposés au niveau de l'ouver- ture de l'extrémité 4 a du tube interne 4 Alors, on réunit par soudage les fils 5 et 6 au niveau de leurs extrémités Puisque les fils 5 et 6 sont enterrés et maintenus stables dans la poudre isolante 7, le travail de soudage peut être facilité Ensuite, comme le montre la figure 3 B, on introduit la poudre isolante 8 par l'ouverture de l'extrémité 4 a du tube interne 4, et on soude le sommet 4 b de l'extrémité du tube protecteur interne 4 sur l'ouverture de l'extré- mité 4 a du tube 4 Ainsi, le remplissage au moyen de la poudre iso- lante 8 peut être facilement réalisé. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'instrument à thermocouple dont la des- cription vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. RE V END I C AT I ON S 1 Instrument à thermocouple comprenant un élément de thermocouple formé de deux conducteurs dissemblables ( 5 et 6) réunis à leurs extrémités; un tube métallique protecteur interne ( 4) destiné à contenir l'élément de thermocouple ainsi qu'un matériau isolant ( 7), et électriquement isolé vis-à-vis de l'élément de ther- mocauple par l'intermédiaire du matériau isolant ( 7); et un tube métallique protecteur externe ( 1) dans lequel ledit tube métallique protecteur interne ( 4) est inséré; l'instrument étant caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube métallique protecteur interne ( 4) n'est pas inférieur à celui du métal formant le tube protecteur externe ( 1). 2 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur interne ( 4) est supérieur à celui du métal formant le tube protecteur externe ( 1). 3 Instrument selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur interne ( 4) est supérieur d'environ 2 x 10 à 10 x 10 6 C 1 au coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur externe ( 1). 4 Instrument selon la revendication 3, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur interne ( 4) est supérieur d'environ 3 x 10 6 à 8 x 10 6 C 1 au coefficient de dilatation thermique du métal formant le tube protecteur externe ( 1 >. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité ( 4 a) du tube métallique protecteur interne ( 4) se trouvant du côté de mesure de température possède un diamètre plus petit que l'autre partie, et des petits trous ( 2 a, 2 b) sont formés au voisinage de l'extrémité du tube protecteur externe ( 1). 6 Instrument selon l' une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la partie du matériau isolant ( 8) qui est contenue dans l'extrémité ( 4 a) du tube protecteur interne ( 4) se trouvant da c 3 c de mesure de la température est une poudre conte- 13759 nant, comme constituant principal, du nitrure de bore ou de l'oxyde de béryllium. 7 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre extrémité du tube protecteur interne ( 4) est hermétiquement fermée au moyen d'un élément d'étanchéité ( 9) et les conducteurs ( 5, 6) passent à l'extérieur au travers de l'élé- ment d'étanchéité ( 9). 8 Instrument selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité ( 9) est formé d'un corps choisi dans le groupe du verre, de la silicone et d'une résine résistant à la chaleur.