Brevet FR2624971A1 — publié le 19890623

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA TEMPERATURE DES EUES NOTAMMENT A L'INTERIEUR D'UNE ENCEINTE L'invention concerne la mesure de la température des fumées, notamment à l'intérieur d'une enceinte telle qu'un four et plus particulièrement à l'intérieur d'un four à arc électrique pour l'élaboration d'acier. Dans ce dernier cas, la connaissance de la température des fumées surmontant le bain du métal liquide est un facteur important du suivi du processus d'élaboration. Les avantages de la mesure des températures par pyrométrie optique sont bien connus, mais cette technique se heurte à des limitations qui en ont jusqu'ici rendu l'utilisation impossible dans certains fours, notamment les fours à arc électrique. En effet, dans de tels fours, d'une part le fort rayonnement de l'arc et, à un échelon moindre, celui des parois, et d'autre part la concentration de poussières non contrôlée, empêchent d'appliquer telles quelles les techniques connues de mesure par voie optique, comme celle décrite dans la demande de brevet français 86 14 842 par exemple. Pour pallier les difficultés dues aux poussières, il existe des pyromètres à aspiration, mais la mesure ne peut alors se faire que de manière discontinue pour prévenir le bouchage de l'instrument. Le but de l'invention est de proposer une méthode et un moyen de mesure par voie optique de la température des fumées dans un milieu soumis à un fort rayonnement, tel qu'à l'intérieur d'un four, notamment un four à arc électrique, cette méthode s'affranchissant des inconvénients précités. L'invention atteint son but grâce à un dispositif de mesure comportant un pyromètre optique monochromatique calé sur une longueur d'onde spécifique à un gaz émettant dans l'infrarouge, tel que CO, CO2 ou vapeur d'eau. Par "gaz émettant dans l'infrarouge", il doit être compris tout gaz ou mélange gazeux dont le spectre d'absorption présente une raie située dans l'infrarouge. Cette raie doit en fait être suffisamment intense pour que, sur une épaisseur donnée d'un volume gazeux, le rayonnement en provenance de l'ex térieur de ce volume et correspondant à la longueur d'onde caractéristique de cette raie, soit absorbé pratiquement totalement et que le seul rayonnement mesuré à cette longueur d'onde soit celui émis par ce volume. Le procédé selon l'invention consiste à orienter le pyromètre monochromatique en direction d'un volume des fumées dont on veut mesurer la température, à effectuer la mesure et en enregistrer le résultat, à déterminer simultanément la concentration dans ce volume de chacun des gâz émettant dans l'infrarouge, à déterminer en fonction de ces concentrations et de l'épaisseur d'un nuage composé des dites fumées, le facteur d'émission monochromatique & à la longueur d'onde du pyromètre, et enfin à valider le résultat enregistré si, tenant compte des conditions opératoires sur les dimensions du volume de fumées, le facteur d'émission g peut être sensiblement égal à 1. Dans le cas de fumées contenant essentiellement du CO2, et éventuellement du CO ou/et de la vapeur d'eau, on choisira un pyromètre monochromatique centré sur une longueur d'onde de 4,325 pm à 0,07 pm près. Selon un mode opératoire particulier, on contrôlera que l'épaisseur du volume gazeux dont on veut mesurer la température est au moins égale à l'épaisseur du nuage de fumées permettant d'obtenir un facteur d'émission sensiblement égal à 1, auquel cas on validera la mesure. Selon un autre mode opératoire préféré, on se fixera a priori la dite épaisseur, et on s'assurera que pour cette épaisseur, le facteur d'émission calculé est sensiblement égal à 1, auquel cas on validera la mesure. Bien évidemment, dans l'un et l'autre mode opératoire, si le facteur d'émission est différent de 1, ou ne peut en être suffisamment approché, la mesure est invalidée. Il est précisé que dans les expressions "épaisseur du nuage" ou "épaisseur du volume gazeux", le terme épaisseur désigne la dimension du volume ou nuage considéré, prise selon l'axe optique déterminé par le pyromètre. Un avantage particulier du procédé selon l'invention est qu'il permet de s'affranchir des inconvénients cités précédemment à l'encontre des pyromètres à aspiration, tout en limitant fortement les erreurs de mesure dues à la présence de sources de rayonnement qui perturberaient la mesure dans le cas d'un pyromètre optique classique dont la longueur d'onde est généralement centrée en dehors de celle des gaz précités. Un avantage particulier du second mode opératoire préférentiel cité ci-dessus réside dans le fait que l'on peut "limiter" les dimensions du volume observé pris en considération, s'assurant ainsi d'une meilleure homogénéité à l'intérieur dudit volume. On peut ainsi se fixer a priori les dimensions dudit volume et sa position dans l'enceinte contenant les fumées, de façon que la mesure ne soit pas perturbée par des rayonnements provenant de ladite enceinte, en particulier de ses parois. Avec le dispositif et le procédé selon l'invention, on pourra, par exemple dans le cas d'un four à arc électrique contenant un bain métallique surmonté de fumées, se contenter d'une épaisseur du volume de fumées considéré de quelques décimètres, par exemple 50 cm, ce volume étant lui-même- situé à environ 50 cm de la voûte et des parois du four, moyennant quoi la mesure de température ne subira pas l'influence du rayonnement de l'arc électrique, ni des parois du four. On pourra dans ce cas effectuer la mesure par l'un des orifices, par exemple une prise de pression, existant déjà dans la voûte du four. Le pyromètre est alors placé à l'extrémité, externe au four, d'un tube passant dans cet orifice et dépassant d'environ 50 cm à l'intérieur du four, et il est dirigé sensiblement à la verticale vers le fond du four. Le bain métallique étant suffisamment éloigné de la surface interne de la voûte, laisse un espace assez grand entre l'extrémité inférieure du tube à l'intérieur du four et la surface du bain, pour constituer un nuage de fumée d'épaisseur suffisante. On remarquera également que l'épaisseur nécessaire pour assurer une opacité suffisante du volume considéré aux rayonnements parasites, peut être réduite si les fumées sont fortement chargées en poussière. Toutefois, cet effet est à prendre en compte avec des réserves du fait que la concentration de poussière n'est couramment ni constante dans le temps, ni régulière dans l'espace. L'invention sera éclairée par les explications théoriques qui suivent, mais il est entendu que ces explications ne limitent en rien la portée de l'invention. Pour accéder par pyrométrie optique à la température des fumées, par exemple à l'intérieur du four électrique, il faut que le volume de gaz chargé de poussières, concerné par la mesure, ait un facteur d'émission proche de l'unité. Ainsi, le rayonnement émis par ce volume sera celui d'un corps noir ; le facteur de transmission étant nul, tout rayonnement extérieur ne perturbera pas la mesure. On admettra que les deux phases en présence (gaz et poussières) équilibrent leurs températures et que l'ensemble présente une température sensiblement uniforme, tout au moins si les poussières sont suffisamment fines (inférieures à environ 10 pm) et si l'espace dans lequel s'effectue la mesure est relativement modéré, ce qui est le cas de l'enceinte du four. On s'intéressera successivement au calcul du facteur d'émission d'un nuage de particules en suspension dans un gaz transparent au rayonnement infrarouge, puis celui d"un gaz de combustion absorbant partiellement le rayonnement infrarouge, dans lequel il y a absence de poussières. 1. FACTEUR D'EMISSION DE PARTICULES CONTENUES DANS UN GAZ TRANS PARENT AU RAYONNEMENT INFRAROUGE Un rayonnement qui traverse un milieu chargé de particules est atténué par l'absorption de ce milieu et par diffusion de ce rayonnement dans toutes les directions de l'espace. La valeur du facteur d'émission d'un nuage de particules est sous la dépendance étroite des propriétés optiques de ses particules. Par propriétés optiques, on entend les valeurs de l'indice de réfraction et de l'indice d'absorption. Concernant les poussières rencontrées dans les fumées du four électrique, elles sont en majorité constituées d'oxyde de fer. Les propriétés optiques de ces particules d'oxyde à haute température sont mal connues. La valeur du facteur d'émission est difficile à cerner elle diffère également suivant le diamètre de la particule visà-vis de la longueur d'onde du rayonnement infrarouge. On considèrera deux cas d'écoles : particules non diffusantes dont le diamètre est grand par rapport à la longueur d'onde, et le cas inverse. 1.1. Particules non diffusantes Le facteur d'émission d'un nuage de particules d'épaisseur L est donné par : = 1 - exp. (- L/ a) où a est une longueur caractéristique d'absorption donnée par 1/?a = N TT r2 Qa N : nombre de particules par unité de volume r : rayon des particules Qa : émissivité hémisphérique de la substance composant les particules Si on remplace N par la masse M de particules par unité de volume, on obtient 1/a = (M trqa r2)/(? (4/3)mr r3) = (3/4) (M/e) (Qa/r) où e est la masse volumique de la substance qui constitue les particules. On aboutit à la valeur du facteur d'émission-: # = 1 - exp. (- 3L M Qa / 4 e r) Dans une application numérique concrète : . rayon moyen des particules : r = 10 6 m . masse volumique e = 3,5 10 kg/m . quantité de particules par unité de volumeM=10 kg/m3 facteur d'émission de l'oxyde de fer Qa : 0,85 Le tableau ci-dessous montre la valeur du facteur d'émission d'un nuage de particules d'épaisseur L, à deux concentrations de poussière 10 kg/m3 et 2.10 kg/m3. du du nuage L (m) 10 g/m' 20 g/m3 0,5 0,6 0,84 1 0,84 0,97 2 0,97 0,99 Un nuage de 50 cm d'épaisseur, n'offre pas toutes les qualités d'un corps noir et par ce fait ne joue pas l'effet d'écran à l'énergie rayonnée par l'arc électrique. Si les températures de l'arc et des poussières sont respectivement de 15000 K et 2000 K, et si les facteurs d'émission sont eux de 0,2 et 0,84, 14 % de l'énergie rayonnante monochromatique à 4,325 pm reçue par le pyromètre provient de l'arc. 1.2. Particules diffusantes Les particules sont de taille comparable à la longueur d'onde du rayonnement (d = 2 um, A = 4 um). La diffusion ne peut pas être négligée. On est alors amené à introduire une longueur caractéristique de diffusion ed analogue à e a 1/ed = N lf r2 Qd où le coefficient de diffusion Qd dépend essentiellement du rapport r/X et des propriétés optiques de la particule. En faisant un certain nombre d'hypothèses, la valeur du facteur d'émission est de la forme où w est l'albedo, défini par Qd/(Qd + Qa). En fait, l'albedo est le paramètre qui mesure l'importance relative de la diffusion. a) Si Qd = Qa = 0,85. L'albedo est alors égal à 0,5. Pour une concentration de poussières de 10 g/m3, on obtient L 0,5 0,55 1 0,69 2 0,73 Le facteur d'émission est légèrement plus faible que celui calculé précédemment. b) Si Qd = 9 x Qa = 7,65 soit w = 0,9, cette fois la valeur du facteur d'émission devient = L (m) 1 0,5 0,36 1 0,37 0,374 On voit que l'effet de diffusion est nettement plus sensible, et joue à la baisse le facteur d'émission. En conclusion, ces calculs, très imprécis, indiquent quand même que la diffusion tend à diminuer la valeur du facteur d'émission d'un nuage de particules, pour toutes conditions gardées par ailleurs. On est loin du corps noir, ceci est d'ailleurs confirmé par l'expérience : l'arc électrique est vu à travers le nuage de poussières. 2. FACTEUR D'EMISSION D'UN GAZ DE COMBUSTION NE CONTENANT PAS DE POUSSIERES Les gaz CO, CO2 et H2O sont des espèces gazeuses qui présentent des bandes d'absorption dans tout l'infrarouge. Leur spectre d'absorption est constitué de raies, plus ou moins séparées ou au contraire se recouvrant. A partir des fondements physiques de l'absorption infrarouge par un gaz, diverses modélisations utilisables par des praticiens sont proposées : - une modélisation rigoureuse, la méthode raie par raie - une modélisation statistique beaucoup plus adaptée aux besoins. On a ainsi calculé le facteur d'émission d'un mélange gazeux dont les caractéristiques sont les suivantes 5% gCO3 ; 5% S H2O C 158 Température du gaz : 4270C Résultats A la longueur d'onde de 4,325 iim, qui est la raie d'absorption la plus intense pour ce mélange, le tableau ci-après donne le facteur d'émission monochromatique en fonction des concentrations des espèces et de l'épaisseur de nuage. Facteur d'émission monochromatique à 4,325 pm I Concentration épaisseur volumique des (m) 0,5 1 2 espèces gazeusesE TO \ u,. 1 z H2O CO3 4270C 1 1 i 15 30 0,998 0,999 1 5 s 0,995 0,995 0,995 i 5 s 17270C 0,995 0,995 1 1 1 15 30 1 1 1 15 30 On remarque que le facteur d'émission monochromatique est toujours voisin de l'unité.Autrement dit, un nuage de gaz de 0,5 m de diamètre est pratiquement un corps noir si la longueur d'onde du rayonnement infrarouge est de 4,325 + 0,07 un. De ce fait, le rayonnement émis par l'arc sera masqué à cette longueur d'onde et ne viendra pas perturber la mesure. En conclusion, à 50 cm en dessous de la voûte du four électrique, on peut admettre que les poussières seules n'offrent pas toutes les qualités d'un corps noir et, de ce fait, le rayonnement de l'arc risque de perturber la mesure. En revanche, si on choisit une longueur d'onde spécifique à l'absorption de CO2 et dé la vapeur d'eau, l'effet de corps noir est considérablement renforcé, puisqu'il suffit d'un volume de gaz de 0,5 m de diamètre pour être totalement à l'abri du rayonnement de l'arc électrique. C'est ce que propose l'invention. La figure unique annexée montre de manière schématique l'installation du dispositif de l'invention dans un four électrique (l'échelle relative des différents éléments n'est pas respectée). Le four électrique 1 contenant un bain de métal liquide 4 comporte une électrode de sole 2 et des électrodes de voûte 3, reliées à des bornes convenables d'une installation électrique et entre lesquelles s'établit un arc électrique. On fait passer par une prise de pression de la voûte du four un tube réfractaire 5 qui pénètre d'environ 50 cm dans le four de manière à assurer un écran suffisant de gaz chargé de particules entre la voûte du four et le volume dont on mesure la température, c'est-à-dire le volume situé en dessous de l'extrémité inférieure 51 du tube 5. Le pyromètre est placé à l'extrémité 52 du tube externe au four. Il est dirigé vers l'intérieur de celui-ci et est relié à une unité de calcul, d'enregistrement et d'indication de la mesure. On pourrait effectuer la mesure par ce simple dispositif, le pyromètre indiquant alors la température d'un nuage de gaz d'environ 50 cm d'épaisseur, le nuage pouvant être partiellement constitué par les fumées qui auraient pu s'introduire dans le tube 5. Toutefois, pour éviter une obstruction du tube par les poussières contenues dans les fumées, celui-ci est pourvu, à proximité de son extrémité supérieure 52, d'une alimentation 53 en azote à faible débit, suffisant cependant pour empêcher les fumées de remonter dans le tube. De ce fait, le volume de gaz concerné par la mesure est bien celui situé juste à l'extrémité inférieure 51 du tube et sur une épaisseur d'environ 50 cm, comptée vers le bas à partir de cette extrémité. Le matériau réfractaire constitutif ou revêtant le tube S est légèrement refroidi par l'injection d'azote et, de ce fait, rayonne faiblement. De plus, le diamètre interne du tube est tel quelle cône de visée du pyromètre, d'angle faible, n'intersecte pas le tube 5 et ne prend donc pas en compte le rayonnement de celui-ci. REVENDICATIONS 1) Dispositif de mesure de la température des fumées dans un milieu soumis à un rayonnement, tel que l'intérieur d'un four (1) à arc électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un pyromètre optique monochromatique (6) calé sur une longueur d'onde spécifique à un gaz émettant dans l'infrarouge tel que CO, CO2 ou vapeur d'eau. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pyromètre (6) est centré sur une longueur d'onde de 4,325 micromètres à 0,07 micromètre près. 3) Dispositif selon la revendication 2, adapté à la mesure de température dans un four à arc électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un tube réfractaire (5) implanté à travers une paroi du four (1) et en ce que le pyromètre est placé à l'extrémité (52) externe au four (1) du tube (5), et est orienté vers l'intérieur du four. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube dépasse d'environ 50 cm à l'intérieur du four. 5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube est en matériau réfractaire ou revêtu de matériau réfractaire et comporte à proximité de son extrémité supérieure (52) un orifice (53) d'alimentation en azote. 6) Procédé de mesure de la température de fumées contenant des gaz émettant dans l'infrarouge, utilisant le dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on oriente le pyromètre (6) en direction d'un volume de fumées dont on veut mesurer la température; on effectue la mesure et on enregistre le résultat ; on détermine simultanément la concentration dans ce volume de chacun des gaz émettant dans l'infrarouge, on détermine en fonction de ces concentrations et de l'épaisseur d'un nuage des dites fumées, le facteur d'émission monochromatique à la longueur d'onde spécifique du pyromètre, et on valide le résultat de la mesure si, tenant compte des conditions opératoires sur l'épaisseur dudit volume de fumées, le facteur d'émission peut être sensiblement égal à 1. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour tenir compte des dites conditions opératoires, on contrôle que l'épaisseur du volume gazeux dont on veut mesurer la température, est au moins égale à l'épaisseur du nuage de fumées permettant d'obtenir un facteur d'émission sensiblement égal à 1, auquel cas on valide la mesure. 8) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on fixe a priori ladite épaisseur du volume de fumée et on s'assure que pour une épaisseur équivalente d'un nuage des dites fumées, le facteur d'émission calculé est sensiblement égal à 1, auquel cas on valide la mesure.