Brevet FR2625557A1 — publié le 19890707

- PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE INSTANTANEE DE LA TEMPERATURE D'UN ELEMENT PAR MESURE DE LA TEMPERATURE D'UN DEBIT DE FLUIDE ENTRAINE AU CONTACT DE CET ELEMENT L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure instantanée de la température d'un élément, par mesure de la température d'un débit de fluide entrainé au contact de cet élément. L'invention est en particulier, mais non exclusivement, applicab:e à la mesure sans contact de la température d'un élément, qui peut être immobile, ou en déplacement continu ou discontinu. On connaît déjà des moyens de mesure, sans contact, de température d'un élément par mesure du rayonnement infrarouge. Toutefois, ces moyens connus ne fonctionnent pas correctement avec des éléments tels que l'aluminium, qui ont des propriétés radiatives inhabituelles. De plus, si l'élément en question est recouvert d'un film d'huile ou d'eau, l'appareil de mesure de rayonnement infrarouge ne pourra mesurer que la température de ce film et non celle de 1 5 l'élément. On a déjà proposé, pour s'affranchir de ces inconvénients, des moyens de mesure sans contact d'une température, utilisant un débit de fluide qui s'écoule au contact de l'élément et dont on mesure la température pour en déduire celle de l'élément. En particulier, on a déjà proposé de guider ce débit de fluide au contact d'un élément par une paroi qui définit une zone d'écoulement du fluide. et de déterminer la température de l'élément à partir des températures du fluide à l'entrée et à la sortie de cette zone. Cette technique antérieure suppose que l'appareil de mesure ait atteint une température d'équilibre ne risquant pas d'influencer la température du fluide, ce qui interdit de faire des mesures instantanées ou en continu de la température de l'élément en question. On a également proposé des procédés de ce type, utilisant une méthode de zéro. Pour cela, le fluide, ou bien l'appareil de mesure. doit être chauffé par un élément chauffant commandé par des thermocouples montés en opposition, la mesure de la température de l'élément ne pouvant avoir lieu que lorsque toutes les températures mesurées sont à la même valeur, qui est supposée être alors celle de l'élément. Cette technique interdit donc elle aussi des mesures instanta- nées ou en continu de la température d'un élément. On connaît également, par le brevet U.S. n0 4 501 504, un procédé de mesure en continu de la température d'un élément, cette température étant déduite de la température du fluide en sortie de l'appareil et de la mesure d'une température de paroi de l'appareil, en fonction de l'hypothèse simpliste selon laquelle la température de l'air à la sortie de l'appareil est égale à la moyenne arithmétique de la température de l'élément et de la température de l'appareil. En pratique, il est impossible, par ce procédé, de déterminer avec précision et de façon instantanée ou continue la température d'un élément, les erreurs de mesure pouvant être de l'ordre de 50 à 100 % selon les cas. L'invention a précisément pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, grâce à un procédé et un dispositif permettant de mesurer de façon précise, instantanée ou en continu la température d'un élément. L'invention propose à cet effet un procédé de mesure instantanée de la température d'un élément par mesure de la température d'un débit de fluide entrains en contact de l'élément, consistant à guider le débit de fluide par une paroi définissant une zone d'écoulement du fluide au contact de l'élément, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer le débit et la pression du fluide ainsi que la distance entre ladite paroi et l'élément, et à mesurer la température de la surface de la paroi en contact avec le fluide et les températures du fluide à l'entrée et à la sortie de ladite zone pour en déduire une valeur instantanée précise de la température de l'élément. L'invention est basée sur le fait que, dans des conditions connues de distance, de débit et de pression du fluide, il suffit de mesurer les températures du fluide à l'entrée et à la sortie de la zone de mesure et la température de paroi de l'appareil de mesure pour en déduire de façon instantanée et précise la température de l'élément. Avantageusement, le procédé consiste également à rendre sensiblement constan- te la température de la surface de paroi en contact avec le fluide sur sensiblement toute l'étendue de cette surface. La détermination de la température de l'élément à partir des températures du fluide et de la température de la surface de la paroi en est simplifiée, et il suffit de mesurer la température de la surface de la paroi en un point de celleci. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste également à isoler thermiquement ladite surface de paroi de l'environnement extérieur. De cette façon, on soustrait la surface sensible de l'appareil de mesure aux variations de l'environnement extérieur, et on augmente la différence entre la température de cette surface de paroi et la température de l'air à l'entrée de la zone de mesure, et donc la précision de mesure. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le procédé consiste à maintenir constante la distance entre ladite surface de paroi et l'élément au moyen d'un coussin d'air. Une partie du débit de fluide alimentant ce coussin d'air peut former le débit de fluide de mesure de la température de l'élément. Par ailleurs, l'action du coussin d'air sur l'élément peut permettre, dans certaines conditions, de nettoyer la surface de cet élément. En variante, le procédé consiste à définir une distance constante entre la paroi et l'élément par des moyens mécaniques de support de la paroi et à contrôler la valeur de cette distance au moyen d'un capteur de proximité, ou bien à définir une valeur constante de cette distance par des moyens d'appui local de la paroi sur l'élément. -30 L'invention propose également un dispositif de mesure instantanée de la tempé- rature d'un -élément, en particulier par exécution du procédé qui vient d'être décrit, ce dispositif comprenant une paroi définissant une zone d'écoulement de fluide en contact avec l'élément et des moyens de mesure de la température du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande de la pression et du débit de fluide en contact avec l'élément, des moyens de mesure de la - température de la surface de ladite paroi orientée vers l'élément, des moyens de mesure de la température du fluide à l'entrée et à la sortie de ladite zone et des moyens de traitement de l'information pour calculer la température de l'élé- ment à partir des températures mesurées de la surface de paroi et du fluide. Avantageusement, la paroi est réalisée en matière bonne conductrice de la chaleur, ce qui lui permet d'être sensiblement isotherme. Elle est de préférence isolée de l'environnement extérieur par un revêtement de matière thermiquement isolante. - Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, cette paroi forme un disque entouré par un conduit annulaire alimenté par un débit d'air et pourvu d'orifices orientés vers l'élément pour former un coussin d'air de sustentation de la paroi sur l'élément, cette paroi comprenant un orifice central de sortie d'une fraction du débit d'air formant le coussin d'air. Avantageusement, cet orifice central est relié à des moyens d'aspiration d'air. L'écoulement d'air au contact de l'élément est ainsi plus stable. En variante, la paroi est supportée par des moyens mécaniques extérieurs à distance sensiblement constante de l'élément et est associée à un capteur de proximité permettant de contrôler cette distance. Selon une autre forme de réalisation, la paroi est associée à des moyens d'appui local sur l'élément, ces moyens n'ayant aucune influence sur la mesure. De façon générale, l'invention est applicable à la mesure instantanée et précise de la température des éléments les plus divers, tels que des éléments longilignes ou filiformes, ou en forme de bandes ou de plaques, qui sont en défilement continu ou discontinu, ou bien qui sont immobiles. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avanta- ges de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de variantes de réalisation de ce dispositif. On se réfère d'abord à la figure 1, représentant schématiquement une première forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention, appliqué à la mesure de la température d'un élément tel par exemple qu'une feuille ou plaque métallique 10 en défilement continu. Le dispositif est placé au-dessus de l'élément 10 et comprend une plaque plane 12 de matière bonne conductrice de la chaleur, de forme circulaire et solidaire à sa périphérie d'un conduit annulaire 14 comprenant des trous 16 régulièrement répartis, orientée vers l'élément 10. Le conduit annulaire 14 est alimenté par un débit 18 sensiblement constant d'air à pression déterminée grâce à des moyens 20 de contrôle de débit et de pression. Ce débit d'air sortant par les orifices 16 forme entre l'élément 10 et le dispositif un coussin d'air permettant la sustentation du dispositif. Une partie du débit d'air s'échappe vers l'extérieur, comme indiqué par la flèche, tandis qu'une autre partie du débit d'air circule radialement vers un orifice central 22 de la plaque 12 relié par un conduit 24 à des moyens 26 draspiration d'air, permettant de contrôler le débit d'air circulant entre l'élément 10 et la plaque 12 et de réduire les perturbations de l'écoule- ment. Des moyens de mesure de température, tels que des thermocouples, sont prévus dans le dispositif comme indiqué en 28 pour la mesure de la temperature de l'air à l'entrée de la zone de mesure, en 30 pour la mesure de l'air à la sortie de cette zone, et en 32 pour la mesure de la température de la surface de la paroi 12 orientée vers l'élément 10. Les thermocouples sont reliés à des moyens 34 de traitement de l'information, permettant de calculer la température de l'élément à partir des signaux fournis par les thermocouples. Avantageusement, une couche 35 de matière thermiquement isolante recouvre la face extérieure de la plaque 12. Ce dispositif est utilisé de la façon suivante. Le dispositif est placé au-dessus de l'élément 10 dont on veut mesurer la température et est supporté, à distance sensiblement constante de cet élément, par le coussin d'air formé entre le conduit annulaire 14 et l'élément 10. Une partie du débit d'air formant ce coussin de sustentation s'échappe à l'extérieur, l'autre partie circule radialement entre l'élément 10 et la plaque 12 en direction de l'orifice central 22, du conduit 24 et des moyens d'aspiration 26. Les jets d'air sortant des orifices 16 du conduit 14 viennent frapper la surface de l'élément 10, ce qui favorise l'échange thermique entre l'air et l'élément. Par ailleurs, la partie du débit d'air qui s'échappe vers l'extérieur du conduit annulaire 14 protège des influences extérieures la partie du débit d'air qui circule entre la plaque 12 et l'élément 10 vers l'orifice central 22. De plus, lorsque que le dispositif selon l'invention et l'élément 10 sont mobiles l'un par rapport à l'autre, le coussin d'air de sustentation peut servir, dans certaines conditions appropriées de débit et de pression, à nettoyer la surface de l'élément 10. De préférence, le débit d'air circulant entre l'élément 10 et la plaque 12 est réglé à une valeur relativement faible pour augmenter la variation de températu- re de l'air au contact de l'élément 10, et donc améliorer la précision de mesure. En pratique, ce débit est réglé à une valeur optimale assurant, d'une part, une bonne précision de mesure, et, d'autre part, une bonne stabilité de l'écoulement. L'isolation thermique 35 de la plaque 12 permet également, en diminuant l'influence des conditions extérieures sur le débit d'air, d'augmenter la réponse en température de ce dernier au contact de l'élément 10. La plaque 12 est de préférence aussi isotherme que possible, et pour cela réalisée en matériau bon conducteur de la chaleur, avec une épaisseur suffisante. pour que le ou les points de mesure 32 reflètent avec précision la température de la plaque 12 vue par le débit d'air. Dans ces conditions, la température de l'élément 10 peut être calculée à partir des valeurs de température de l'air à l'entrée et à la sortie de la zone de mesure et de la température de la paroi 12 du dispositif, les signaux fournis par les thermocouples 28,30,32 étant numérisés, puis traités par le circuit 34. La température de l'air en sortie de la zone de mesure est donnée, en fonction de la température de l'élément 10, de la température de la plaque 12 et de la température de l'air à l'entrée de la zone de mesure, par la relation suivante Ts = E hlSIT1 + h2S2T2 + (1 - E)Te hlSl + h2S2 + (1 E)Te o Ts est la température de sortie de l'air, Te sa température à l'entrée de la zone de mesure, Tl est la température de la plaque 12 dont la surface en contact avec l'air de mesure est 51, T2 est la température de l'élément 10, dont la surface en contact avec l'air de mesure est S2, hl et h2 sont les coefficients d'échange de la plaque 12 et de l'élément 10 respectivement, et E est l'efficacité thermique de l'échange de chaleur entre l'élément 10, la plaque 12 et le débit d'air. L'efficacité thermique E dépend essentiellement du débit et de la pression de l'air de mesure, et de la distance entre la plaque 12 et l'élément 10. Lorsque ces paramètres sont fixés et pour une certaine plage de température, la relation entre les diverses températures est sensiblement linéaire. Il est donc relative- ment simple, dans des conditions données, de déterminer la température de l'élément 10 à partir des températures de l'écoulement d'air à l'entrée et à la sortie de la zone de mesure et de la température de la plaque 12 du dispositif. Dans la forme de réalisation qui est représentée en figure 1, le dispositif de mesure peut se déplacer au-dessus de l'élément 10 qui est fixe, ou bien l'élément peut défiler par rapport au dispositif de mesure qui est fixe. Dans le cas o le dispositif est fixe, ôn peut, comme représenté très schémati- quement en figure 2, le supporter par des moyens mécaniques extérieurs 36 permettant de régler sa distance par rapport à l'élément 10, un ou plusieurs capteurs de proximité 38 étant associés au dispositif pour contrôler la valeur de cette distance. Lorsque l'élément 10 est immobile, ou bien lorsque son mouvement est relative- ment lent, le dispositif de mesure selon l'invention peut.être posé sur l'élément , de façon temporaire, et comprend alors des moyens 40 d'appui local sur l'élément 10 qui sont conçus de façon à ne pas perturber la mesure, c'est à dire essentiellement ne pas perturber l'écoulement du fluide de mesure. De façon générale, l'invention permet de mesurer la température de surface d'un corps solide, sans avoir de contact thermique avec ce corps, sans être influencé par les propriétés thermo-optiques du corps, sans exercer de pertubations sur le corps lui-même, la mesure étant simple, précise, rapide et pouvant être réalisée en continu. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention peut avoir une géométrie adaptée à celle de la surface dont on veut mesurer la température, dans le cas o cette surface n'est pas plane. 9g 2625557 REVENDICATIONS 1/ Procédé de mesure instantanée de la température d'un élément par mesure de la température d'un débit de fluide entrains au contact de cet élément, consistant à guider le débit de fluide par une paroi (12) définissant une zone d'écoulement du fluide au contact de l'élément (1M), caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer le débit et la pression du fluide, ainsi que la distance entre ladite paroi (12) et l'élément (10) et à mesurer la température de la surface de la paroi (12) en contact avec le fluide et les températures du fluide à l'entrée et à la sortie de ladite zone, pour en déduire une valeur instantanée précise de la température de l'élément (10). 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir constantes les valeurs du débit et de la pression du fluide, et de la distance entre la paroi (12) et l'élément (10). 3/ Procédé selon la revendication-i ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à rendre sensiblement constante la température de la surface de la paroi (12) en contact avec le fluide, sur sensiblement toute l'étendue de cette surface. 4/ Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il consiste à isoler thermiquement ladite surface de la paroi (12) de l'environnement exté- rieur. / Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir constante la distance entre ladite surface de paroi (12) et l'élément (10) au moyen d'un coussin d'air. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une partie du débit alimentant le coussin d'air pour former le débit de fluide de rmesure de la température de l'élément (10). 7/ Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il consiste à nettoyer la surface de l'élément (10) au moyen du coussin -d'air précité. 8/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à définir une distance constante entre la paroi (12) et l'élément (10) par des moyens mécaniques (36) de support de la paroi et à contrôler la valeur de cette distance au moyen d'un capteur de proximité (38B). 9/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à définir une distance constante entre la paroi (12) et l'élément (10) par des moyens (40) d'appui local sur la paroi sur l'élément. 10/ Dispositif de mesure instantanée de la température d'un élément, en particu- lier par exécution du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant une paroi définissant une zone d'écoulement de fluide en contact avec l'élément et des moyens de mesure de la température du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20) de commande de la pression et du débit du fluide en contact avec l'élément (10), des moyens (32) de mesure de la température de la surface de la paroi (12) orientée vers l'élément (10), des moyens (28,30)de mesure de la température du fluide à l'entrée et à la sortie de ladite zone, et des moyens (34) de traitement de l'information pour calculer la température de l'élément (10) à partir des températures mesurées de la surface de paroi (12) et du fluide. 11/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la paroi (12) est réalisée en matière bonne conductrice de la chaleur. 12/ Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la paroi (12) est isolée de l'environnement extérieur par un revêtement (35) de matière thermiquement isolante. 13/ Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ladite paroi (12) forme un disque entouré par un conduit annulaire (14) alimenté par un débit d'air et pourvu d'orifices (16) orientés vers l'élément (10) pour former un coussin d'air de sustentation de la paroi (12) sur l'élément, cette paroi compre- nant un orifice central (22) de sortie d'une fraction du débit d'air formant le coussin d'air. 14/ Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit orifice central (22) est relié à des moyens (26) d'aspiration d'air. 1 1 2 62625557 / Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la paroi (12) est supportée par des moyens mécaniques (36) extérieurs à distance sensiblement constante de l'élément (10) et est associée à un capteur de proxinlité (38) permettant de contrôler cette distance. i 16/ Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ladite paroi (12) est associée à des moyens (40) d'appui local sur l'élément (10) .