Brevet FR2523303A1 — publié le 19830916

1. Laprésente invention concerne les celules ther- mométriques pour l'étalonnage de thermoinmtres et, ?us par- ticulièrement, une cellule thermométrique scellée, r- bres, réunissant différents points fixes. La mise au point, en 1975, par àquipe A laquel- le appartiennent les inventeurs de la pr sen Le dearnde, de la première cellule scellée utilisant le potit triple de l'argon comme référence d transfert a permis d'amélior - grandement, tant au point de vue precision qu'au pcn' de vue facilité d'exécution, les étalonnages cryo -,uo. Toutefois, des étalonnages sur des opiages plus importantes nécessitent d'utiliser d'autres reftrenes, ty- piquement des transitions de phase caractéri tique î pouru limiter les interpolations ou les extrapctat Lmoi dames i;ta lonnage de thermomètres Or, comme on le sait le repiissa ge d'une cellule avec une substance de grande puret' aar: lesdites transitions de phase caractéristiques est une ope- ration extrêmement délicate et minutieuse Il=est, par ail- leurs, difficilement envisageable d'utiliser plusieurs cel- lules scellées renfermant chacune une de ses substances étalons en raison des difficultés de mise en oeuvre et comp- te tenu de la délicatesse de pilotage des cryostats et du faible volume disponible dans ces derniers. Il existe donc un besoin d'une cellule thermomé- 2 2523303 trique susceptible de réunir différents points fixes et per- mettant donc d'étalonner un thermomètre pour ces différents points fixes sans devoir démonter ni l'installation ni le thermomètre pour les étalonnages successifs. Or, à cette fin, plusieurs paramètres doivent être pris en compte La géométrie des cellules individuelles doit être déterminée, non seulement pour permettre la miniaturi- sation de l'ensemble, mais également pour optimiser la ca- pacité de l'enveloppe de la cellule individuelle et son temps de réponse D'autre part, en raison de l'extrême précision requise pour les étalonnages, les problèmes de nettoyage des cellules (pour éviter notamment la contamination de la subs- tance pure d'étalonnage par le matériau de la cellule) doi- vent conduire à un compromons entre les bonnes ceractéristi- ques d'échange de cheleur et prêcisément, les possibilités de nettoyage (on rappellera, ici, que O ppm d'impuretés constituent déjà un taux excessif). La présente invention a précisément pour objet de proposer une cellule thermométriqec scellée capable de réu- nir différents points fixes dans-un espace confiné, avec des temps de réponse ou de retour à l'equilibre optimisés pour chaque température caractéristique. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, il est prévu une cellule thermométrique unitaire scellée renfermant au moins deux chambres herméti- quement closes séparées mais reliées thermiquement. Selon une autre caractéristique de l'invention,la cellule comprend une partie de cotes métallique formant au moins un logement pour recevoir un thermomètre et assurant le pontage thermique entre les chambres, ces dernières ayant une configuration annulaire et étant disposées coaxialement- par rapport à l'axe de la partie de corps métallique de la cellule. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donnée à titre illustratif mais nulle- ment limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels: 3 2523303 Lafigure 1 est une vue schématique en coupe longi- tudinale d'une cellule thermométrique unitaire scellée à 5 chambres selon l'invention; La figure 2 est une demi-coupe longitudinale mon- trant un mode de réalisation de la cellule de la figure l;et La figure 3 est une vue schématique en coupe lon- gitudinale d'un cryostat adiabatique utilisant une cellule scellée selon la présente invention. Dans la description, et sur les dessins, les élé- ments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence Dans la description suivante, il sera fait essen- tiellement référence à une cellule thermométrique scellée réunissant cinq points'fixes pour étalonnages cryogéniques, dans laquelle les chambres contiennent, outre de 1 'eau,qua- tre gaz fournissant ainsi des points triples s'échelonnant entre 2730 K et 230 K Toutefois, les cellules thermométri- ques scellées selon la présente invention peuvent être uti- lisées pour des étalonnages dans d'autres plages de tempéra- tures, en mettant en oeuvre différentes substances ajant des transitions de phases caractéristiques, en l'occurrence des transitions de première espèce, dans ces plages de tempéra- ture Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, au lieu des gaz cryogéniques, on pourra utiliser, dans les chambres, du gallium ou de l'indium dont les températures de fusion sont respectivement de 3030 K et 4230 K, pour l'étalonnage de ther- momètres à usages médicaux ou vétérinaires. Dans le mode de réalisation représenté sur les fi- gures, la cellule thermométrique scellée, désignée générale- ment par la référence 1, est constituée d'un assemblage de cellules individuelles sensiblement identiques définis- sant chacune une chambre hermétiquement close 2 Les cham- bres 2 ont une configuration annulaire ou torique à section carrée, et entourent une partie de corps centrale tubulaire massive 3 dans laquelle est formé un alésage longitudinal 4 pour recevoir un thermomètre 5 (figure 3) Chaque chambre comprend un plancher 6 conformé à la façon d'un échangeur de chaleur diphasique En l'espèce, dans le plancher 6 sont 4 2523303 formées des gorges concentriques 7, les nervures 8 séparant les gorges étant formées avec des passages radiaux angulai- rement décalés et répartis pour permettre un bon étalage de la substance fondue avant sa solidification dans les dif- férentes gorges 7 Dans l'exemple représenté, chaque cham- bre a une hauteur d'environ 7 mm et une largeur d'environ 16 mm Des canaux de remplissage 9 angulairement répartis sont formés dans la partie de corps centrale 3 et débou- chent respectivement dans les différentes chambres indivi- duelles 2. Dans la pratique, comme représenté sur la figure 2, l'ensemble de la cellule 1 est réalisé par usinage de blocs d'acier inoxydable (l'acier inoxydable fritté ne présentant pas les caractéristiques requises pour le maintien de la pureté des substances dans les chambres 2) La par- tie de corps 3 est ainsi formée avec un voile supérieur 10 -constituant la paroi de sommet de la cellule supérieure, les différentes chambres étant formées par des coupelles Il emmanchées sur la partie de corps 3 formant moyeu pour l'ensemble de la cellule en étant soudées sur cette dernière et entre elles,, les rainures en V périphériques 12 servant pour les cordons de soudure périphériques entre les coupel- les adjacentes Les différentes chambres sont donc bien ainsi toutes reliées thermiquement Les canaux 9 débouchent chacun dans l'extrémité supérieure élargie 13 de la partie de corps 3 par un alésage de plus grand diamètre 14 servant à l'emmanchement d'un tube en cuivre 15 de remplissage qui sera finalement écrasé et brasé une fois la chambre 2 cor- respondante remplie - Avec cet agencement, le temps de réponse de cha- que cellule ou chambre individuelle est inversement pro- portionnel à la surface développée interne de ces dernières. Chaque-chambre a dans l'exemple représenté,un volume inter- 3 2 ne de 9,18 cm, et une surface interne développée de 24 cm Les gorges 7 définissent dans le plancher des cellules un volume de 0,86 cm Les expérimentations menées par les inventeurs ont montré que, conformément aux modèles mathé- * 5 2523303 5. matiques établis pour la circonstance, chaque cellule in- dividuelle ou chambre de la cellule compartimentée 1 pré- sente un comportement identique à celui d'une cellule com- portant une seule de ces chambres, ce qui permet donc, con- formément à l'objet recherché, d'obtenir avec cette cellule différents points fixes en remplissant les chambres avec différentes substances caractéristiques Ainsi, dans le cas d'une cellule pour étalonnages cryogéniques, les différentes chambres contiennent respectivement de l'eau, de l'argon,de l'azote, de l'oxygène et du néon, dont les températures de point triple sont de 1730 K, 83 O K, 63 K, 54 K et 23 K Dû ces températures, les capacités thermiques de la cellule sont de 130 j/ K, 75 j/OK, 55 j/OK, 45 j/ K et 8 j/ K, respecti aent La procédure de remplissage de chaque o;ta Pbre l 1 est la suivante Après un nettoyage chimique a l:s-r 3 et le système de remplissage sent x nces avez z pu - Entre deux rinçages, la chambre est oe en i l Jsn Y- pompe mécanique et une pompe turbo-lnoécuaires O àtci alors le gaz pur dans la chambre via le tube i c,'a ne trée 15 et le canal 9, sous la pression 'r:ui S 3 ' e nir, à basse température, un film l quide ou 'solide oculpan la majeure partie des gorges 7, voire ddbordant très l - rement de ces dernières Le tube dfamenée "l est aloro ermé et coupé Il en va de même pour les différentes ciambres O i variante, au lieu de disposer d'un seul puits central 4 pur un thermomètre, on peut disposer, autour des chambres d? un cylindre d'acier inoxydable dans lequel sont formes plusieurs puits angulairement espacés les uns des autres pour perme 2 re l'étalonnage simultané de plusieurs thermomètre-s. L'étalonnage de ces thermomètres 5 s'effectue dans un cryostat du type de celui représenté sur la figur 2 3 Ce cryostat comprend un conteneur sous vide 20 qui sera disposé dans un environnement adéquat pour la cryogénie (vase de Dewar, contenant successivement de l'azote liquide ou soli- de et de l'hélium liquide pour atteindre les différents points triples des diverses substances dans les différentes chambres) La cellule 1 est suspendue par des fils de nylon -6 2523303 21 à un corps de chauffe 22 relié à un système d'alimenta- tion et de pilotage extérieur (non représenté) La cellule 1 est entourée par un écran absorbeur de radiations 23 en cuivre doré, relié thermiquement à l'atmosphère environnan- te par un fil d'argent 24 Des bobinages chauffants 25 sont également prévus autour de la Cellule 1 Le chauffage à l'intérieur du cryostat est piloté autour du point caractéris- tique par un thermocouple différentiei 26 permettant d'an- nuler la différence de température entre l'écran 23 et la cellule 1 La canalisation 27 de mise en vide du cryostat. est pourvue d'un absocrbeur de radiatirons 28 Après cali- brage sur la température de point triple selectionnee, la dérive thermique de la cellule est corrigae par un moniteur à microprocesseur, 'au prix d'une ccn som aation électrique ex- trêmement minime. Quoique la presenme invn r ait été dcrite en relation avec des moues de ralisacn particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mai est au icntraire susceptible de modifications et de iarxan i a:paratront a l'homme de l'art. 7- 2523303 REVENDICATIONS 1 Cellule thermométrique scellée, caractérisée en ce qu'elle renferme, dans un ensemble unitaire ( 1), au moins deux chambres ( 2) hermétiquement closes, séparées et reliées thermiquement. 2 Cellule selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'ellecomprend une partie de corps métallique massive ( 3, 13) assurant le pontage thermique-entre les chambres ( 2) et formant au moins un logement ( 4) pour rece- voir un thermomètre ( 5). 3 Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que les chambres ( 2) ont chacune une configuration annulaire et sont disposées coaxialement par rapport à l'axe de la partie de corps ( 3). 4 Cellule selon la revendication 3, caractérisée en ce que les chambres ( 2) sont superposées. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie de corps ( 3) comprend un noyau tubulai- re central dans lequel est formé concentriquement un loge- ment ( 4) de thermomètre ( 5). 6 Cellule selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que le plancher ( 6) de chaque chambre ( 2) est formé avec une surface à profil d'échangeur diphasique ( 7, 8). 7 Cellule selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite surface comporte des gorges concentriques ( 7). 8 Cellule selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que chaque chambre 2) est constituée par une coupelle ( 11) enfilée sur le moyeu tubulaire. 9 Cellule selon la revendication 8,' caractéri- sée en ce qu'elle comporte des canaux ( 9) d'introduction d'une substance caractéristique dans chaque chambre (-2), qui s'étendent longitudinalement dans le moyeu et débou- chent dans les diverses chambres respectivement ( 2). Cellule selon l'une des revendications précé- dentes,caractérisée en ce qu'elle comprend cinq chambres superposées ( 2).