Brevet FR2603986A1 — publié le 19880318

L'invention a pour objet une sonde à thermocouple qui permet de mesurer La température d'un milieu, ou la conductivité thermique apparente d'un milieu dans lequel elle est plongée, ainsi que la chaleur spécifique de ce milieu. La sonde de l'invention est particulièrement utile pour la mesure ou le contrôle in situ des caractéristiques thermiques précitées des matériaux de construction, notamment des matières isolantes comme la mousse de polyuréthane ou la mousse de polystyrène expansé. Elle est également utilisable pour la mesure des mêmes caractéristiques des produits fluides complexes, des suspensions solide-liquide, et suspensions liquide-gaz dont la composition et les propriétés rhéologiques sont en relation avec lesdites caractéristiques. Par extension, la même sonde peut servir à faire des mesures d'humidité, de concentration, de porosité ; elle peut être employée aussi pour le controle de L'évolution d'un milieu sous l'effet, par exemple, d'une maturation ou d'une. fermentation. On sait déjà dans ce domaine technique qu'il est possible de mesurer la conductivité thermique d'un milieu en se servant d'une sonde que l'on plonge dans ce milieu. Cette sonde contient La soudure chaude d'un thermocouple faisant partie d'un circuit électrique dans lequel il existe aussi une soudure froide tenue à une température connue constante. A cette sonde sont associés une source d'électricité et un appareil de mesure, ainsi qu'il est bien connu. On sait aussi qu'il est connu de faire des mesures in situ de la conductivité thermique d'un milieu par la méthode du régime transitoire. Les sondes destinées à cet usage comprennent une tige creuse cylindrique fermée à une extrémité et contenant une soudure chaude constituée par La soudure d'un fil de cuivre et d'un fil de constantan ; en outre une résistance chauffante électrique est enroulée sur cette tige creuse. Pour effectuer une mesure de conductivité thermique on alimente en courant électrique la résistance chauffante, on interrompt cette alimentation ; on mesure la température au moyen de la soudure chaude du thermocouple en enregistrant cette température en fonction du temps. On peut enregistrer L'évolution de la température en fonction du temps soit pendant le chauffage et on observe alors sa croissance, soit après l'arrêt du chauffage produit par La résistance électrique et on observe alors sa décroissance. Dans l'un et l'autre cas, ainsi qu'il a été démontré mathématiquement, on peut en déduire par Le calcul la valeur de la conductivité Cen (en W/m.OC) ou K (en W/m.K.). Le circuit de mesure est généralement associé à un micro-calculateur qui effectue les calculs nécessaires. Une sonde conçue et réalisée comme décrit cidessus convient bien pour la mesure de la conductivité. Elle a l'inconvénient de posséder une certaine capacité calorifique ; on peut corriger ce défaut en prévoyant un décalage dans Le temps du début des opérations de mesures, quand on effectue les mesures pendant l'élévation de la température. Néanmoins, la capacité calorifique propre à la sonde est toujours nuisible. Il est intéressant de la réduire à La valeur la plus faible possible. Il est avantageux aussi de diminuer le volume de la sonde autant qu'il est possible parce que, plus la sonde est petite en encombrement, plus petit peut être Le volume de l'échantillon de la matière sur laquelle on veut effectuer une mesure. L'invention a donc pour but principal de parvenir à une sonde de mesure par thermocouple ayant le volume et en particulier La section droite les plus réduits possibles ainsi que, en conséquence, la capacité calorifique et l'inertie thermique les plus faibles possibles. Dans une sonde de thermocouple comprenant un fil chauffant, une gaine de protection, ayant une extrémité fermée et une extrémité d'entrée de fils, contenant deux fils de couple thermoélectrique réunis par une jonction ou soudure, selon L'invention un premier fil pour couple thermoélectrique s'étend à partir de L'extrémité d'entrée de la gaine jusqu'à proximité de l'extrémité fermée de cette dernière puis il revient en arrière et il est interrompu par une extrémité située dans le tiers médian de la longueur de la gaine entre les deux extrémités de celleci cependant que le second fil s'étend à partir de l'extré- mité d'entrée de la gaine jusqu a sa rencontre avec ladite extrémité du premier fil auquel il est réuni par une jonction, de sorte que cette jonction est elle-même située dans le tiers médian de la longueur de la gaine. De préférence, les deux fils pour couple thermoélectrique sont des fils qui ont chacun une résistivité élevée comme le platine (10, 9n .cm) et le platine rhodié (19,6 > E.cm) et, de préférence aussi, de valeurs aussi peu différentes que possible. En variante on peut utiliser un fil à résistivité très élevée avec un fil à résistivité faible, comme le constantan (4,8 #.cm) et le cuivre (1,72yt Q .cm). Dans tous les cas il est avantageux que le fil le plus long à l'intérieur de la gaine possède La résistivité la plus grande. On donnera maintenant une description d'un exemple de réalisation de l'invention et de deux variantes. On se reportera au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une sonde conforme à l'invention, - les figures 2 et 3 sont respectivement des vues de détail, en coupe longitudinale, à plus grande échelle, montrant une jonction entre les deux fils à L'intérieur de la gaine de protection. -La figure 4 est un graphique relatif à l'usage de la sonde de L'invention. La sonde 1 représentée sur la figure 1 comprend une gaine cylindrique 2 de protection ayant une longueur L entre une première extrémité fermée 3 et une seconde extrémité 4 d'entrée pour le passage des fils. A L'intérieur de la gaine de protection 2 un premier fil 5 pour couple thermoélectrique s'étend à partir de l'extrémité 4 jusqu a proximité de l'extrémité fermée 3, est incurvé en 6 pour revenir en arrière et s'interrompre par une extrémité 7 située sensiblement au milieu de la longueur de la gaine 1. Un second fil 8 pour couple thermoélectrique venant de l'extrémité d'entrée 4 prolonge le premier fil 5 à l'extrémité 7 duquel il est réuni par une extrémité 9 pour constituer une jonction ou soudure 10. Bien entendu, après la mise en place des fils 5, 8 soudés ensemble, la gaine 2 est remplie d'une poudre isolante et réfractaire, par exemple de la magnésie, ainsi qu'il est connu et ltextrémite 4 est scellée autour des fils 5, 8. A l'intérieur de La gaine 2, Les fils sont rectilignes en deux brins parallèles faiblement espacés, avec une incurvation à 1800 du fil le plus long 5. La jonction 10 est située sensiblement au milieu de la longueur de la gaine 2. En pratique, on peut admettre que la jonction 10 se trouve dans le tiers médian L/3 de La longueur de la gaine 2. Il est souhaitable de mettre la jonction 10 à une position aussi centrale que possible également en sens transversal. Sur La figure 2 le premier fil 5 est incurvé à 1800, en 11, avant La jonction 10, vers le milieu de la gaine 2, et le second fil 8 est déformé, par exemple en baionnette, pour rejoindre le premier fil 5 à la jonction 10. Sur la figure 3 les deux fils 5 et 8 sont pliés en 90" vers le milieu de La gaine 2, en 12 et en 13 respectivement, avant d'être soudés en 10. Dans l'esprit de l'invention, au moment de L'exécu- tion d'une mesure de conductivité thermique, on utilise les deux fils 5 et 8 en série comme un fil chauffant dans lequel on fait passer un courant électrique d'intensité convenable. Après avoir interrompu Le passage du courant, on utilise La jonction 10 de manière classique pour enregistrer la décroissance de la température. Du fait de cette double fonction attribuée aux fils 5, 8, La sonde 1 peut être extrêmement réduite en encombrement. La gaine 2 réalisée en acier inoxydable peut avoir un diamètre intérieur de 0,3 mm et un diamètre extérieur aussi faible que 0,6 mm avec une longueur totale L de 8 cm. Le diamètre des fils 5, 8 est de 0,01 mm. Pendant La période de chauffage, il est souhaitable que la production du flux de chaleur soit aussi uniforme que possible à l'intérieur de la matière dans laquelle est plongée la sonde. L'emplacement de la jonction 10 dans Le tiers médian de La Longueur s'est révélé satisfaisant à ce point de vue. Le déplacement de la jonction 10 vers Le milieu de la sonde en sens transversal (figures 2 et 3) est préférable, mais cette disposition . nécessite plus de place et conduit à se servir d'une gaine 2 de plus gros diamètre. L'exemple de la figure 1 qui permet l'emploi de la gaine 2 la plus fine est acceptable au point de vue de la diffusion uniforme de la chaleur. On a intérêt à choisir des fils de couple thermoélectrique qui ont une résistivité élevée et aussi voisine que possible L'une de l'autre, le platine et le platine rhodié en sont un bon exemple. On peut employer aussi, comme dans le cas de la figure 1, un fil à forte résistivité, comme le constantan, pour constituer le fil 5 qui a La plus grande longueur à L'intérieur de la gaine 2 et un fil à faible résistivité, mais à conductibilité élevée, comme le cuivre, pour constituer le fil 8 qui est le plus court. Dans la moitié de la sonde où se trouve uniquement le fil de constantan, la production de la chaleur est pratiquement le double de ce qu'elle est dans l'autre moitié où se trouvent le fil de constantan et le fil de cuivre ais comme celui-ci est un bon conducteur de la chaleur, sa température est presque égale à celle du fil chauffant en constantan. Sur Le graphique de la figure 4 ou Le temps en secondes est porté en abcisses et la température en OC est portée en ordonnées, on a tracé l'évolution de la température dans un milieu où était plongée la sonde 1. Cette sonde avait une longueur de 8,25 cm ; la résistance des fils 5, 8 était de 12,3 21. . Alimentés sous une tension de 1,79 V, dans une atmosphère d'une température de 36,16"C, les fils 5, 8 utilisés comme fils chauffants ont produit 'un échauffement du point origine au point A jusqu'au-dessus de 39 C en une durée de 30 secondes, puis les mêmes fils 5, 8 utilisés comme fils de couple thermoélectrique ont servi à mesurer la décroissance de La température jusqu'à 370C environ en une durée de 10 secondes. La mesure du coefficient h ou K de conductivité thermique du milieu se fait pendant la décroissance de la température, selon une méthode connue. A partir de la valeur mesurée de > ou de K exprimée en W/m. C ou en W/m.K on peut calculer la valeur de La chaleur spécifique exprimée en J/Kg.K. Bien entendu, L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. En particulier, une partie du fil 5 peut être constituée par la gaine elle-même, par exemple en réunissant le point 6 à la gaine et en supprimant La partie de fil 5 allant de l'ouverture de la gaine au point 6. Bien entendu dans ce cas, le fil 5 et la gaine doivent être en matériau ne créant pas un thermocouple, par exemple tous Les deux en constantan. REVENDICATIONS 1. Sonde de mesure par thermocouple comprenant un fil chauffant, une gaine de protection (2) ayant une extrémité fermée (3) et une extrémité (4) d'entrée de fils, contenant deux fils (5, 8) de couple thermoélectrique réunis par une jonction (10), caractérisée en ce qu'un premier fil (5) pour couple thermoélectrique s' étend à partir de l'extrémité ouverte (4) jusqu'à proximité de l'extrémité fermée (3) de la gaine (2) puis revient en arrière et il est interrompu par une extrémité (7) située dans le tiers médian (L/3) de la longueur de gaine (2) entre les deux extrémités (3,4) de celle-ci cependant que le second fil (8) s'étend à partir de l'extrémité d'entrée (4) jusqu'à sa rencontre avec Ladite extrémité (7) du premier fil (5) avec Lequel il constitue une jonction (10) par une extrémité (9). 2. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux fils (5,8) ont chacun une Longueur telle que la jonction (10) se trouve sensiblement au milieu de la longueur de la gaine (2). 3. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fils (5,8) sont rectilignes en deux brins parallèles avec une incurvation à 1800c (6) proche de l'ex- trémité fermée (3) de la gaine (2) sur le fil (5) le plus long. 4. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'un des fils (5) a à proximité de la jonction (10) une incurvation (11) à 1800C située du côté du milieu de la gaine (2) et l'autre fil (8) est déformé pour rejoindre à La jonction (10) Le fil incurvé (5). 5. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux fils (5,8) ont à proximité de la jonction (10) une incurvation à 90"C en direction du milieu de la gaine (2). 6. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux fils ont des résistivités de valeurs aussi proches que possible l'une de l'autre. 7. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'un des deux fils (5) a une résistivité élevée tandis que L'autre fil (8) a une résistivité faible. 8. Sonde selon la revendication 7 caractérisée en ce que le fil (5) qui a la plus grande longueur a aussi la résistivité la plus élevée. 9. Sonde selon La revendication 8 caractérisée en ce que le fil (5) le plus long est en constantan et le fil (8) le plus court est en cuivre.