Brevet FR2666892A1 — publié le 19920320

CAPTEUR OPTIQUE DE TEMPERATURE La présente invention concerne un capteur optique de température comportant une sonde extérieure allongée, pourvue d'un élément optiquement transparent situé à proximité d'une extrémité avant de la sonde et exposé à la température à mesurer, et un guide de rayon- nement optique s' étendant dans la sonde et sur lequel est focalisé un rayonnement venant de l'élément transparent. On utilise des capteurs optiques de température pour obtenir une indication de la température, par exemple dans des moteurs à turbine à gaz, s'il faut avoir un signal de sortie optique plutôt qu'un signal électrique ou si un capteur électrique ne peut pas résister à l'environnement o la mesure doit être faite. A des températures élevées, il est courant d'utiliser le saphir ou d'autres matières analogues, réfractaires et transparentes aux infra- rouges, pour former un guide de rayonnement entre l'extrémité sensible de l'appareil et une zone plus froide o le guide en saphir est raccordé à un câble à fibres optiques ne résistant qu'à des tempé- ratures plus basses Le rayonnement émis par une surface émettrice près de l'extrémité du guide en saphir arrive sur le guide et est transmis par le câble optique à un ou plusieurs détecteurs délivrant un signal électrique à un processeur Le processeur délivre un signal de sortie représentatif de la température à un affichage, un dispositif de commande ou à d'autres utilisateurs. Les capteurs de ce genre peuvent être sujets à de grandes variations de température sur la longueur du guide en saphir, par exemple de 1 3001 C à l'extrémité sensible jusqu'à 2001 C là o ce guide se raccorde au câble optique En outre, dans certaines applications l' extrémité du capteur peut être exposée à une température plus basse que celle d'une autre partie du capteur, située plus en arrière Ceci crée des problèmes dans les capteurs actuels, parce que le saphir lui-même est susceptible d'une émission thermique et va émettre du rayonnement vers le guide selon un spectre qui dépend de sa propre température. Ceci peut induire des erreurs de mesure qui posent de sérieux problèmes quand il s' agit de mesurer avec précision la température régnant au voisinage de l'extrémité du capteur. La présente invention a pour but de créer un capteur permettant d'éviter les problèmes exposés ci-dessus. Dans ce but, l'invention concerne un capteur optique de température du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que la sonde comporte un conduit à gaz sur la majeure partie de sa longueur et des moyens pour délivrer un gaz de refroidissement à ce conduit, en ce que le guide de rayonnement est exposé au gaz de refroidissement et en ce que ledit élément transparent est protégé contre le gaz de refroidissement. De préférence, une barrière thermique optiquement transparente est placée dans la sonde de façon à être exposée au gaz de refroidis- sement et à protéger ledit élément transparent contre ce gaz La barrière thermique peut comporter un revêtement opaque présentant une ouverture centrale et empêchant qu'une partie du rayonnement atteigne le guide de rayonnement Ledit élément transparent peut comporter, sur l'une de ses surfaces, un revêtement opaque émettant un rayonnement par effet thermique. Dans une forme d'exécution préférée, ledit élément transparent est placé dans une chambre ménagée dans l'extrémité avant de la sonde et ladite chambre est ouverte vers l'extérieur de la sonde par un orifice d'entrée et un orifice de sortie permettant à un flux gazeux de passer à travers la chambre et sur l'élément transparent, de sorte que le rayonnement focalisé sur le guide de rayonnement est représentatif de la température du flux gazeux dans la chambre Ledit élément transparent peut avoir sensiblement la forme d'un barreau longitu- dinal, un espace annulaire étant ménagé entre l'extrémité avant dudit élément et les parois latérales de la sonde, et l'extrémité arrière dudit élément étant agencée de façon à empêcher tout écoulement de gaz en direction de l'arrière de la sonde au niveau de cette extrémité de l'élément. De préférence, le capteur comporte une lentille focalisant une image d' une partie dudit élément transparent sur une extrémité du guide de rayonnement et cette image est plus petite que l'extrémité du guide de rayonnement L'image formée par la lentille peut être plus petite que ladite partie de l'élément transparent Des rainures peuvent être ménagées entre la lentille et la sonde pour le passage du gaz de refroidissement entre la lentille et la sonde. Le capteur peut comporter un orifice d' entrée pour le gaz de refroi- dissement, à une extrémité arrière du capteur, et un orifice de sortie du gaz de refroidissement, situé en avant dudit orifice d'entrée et en arrière dudit élément transparent. A titre d'exemple, on décrira ci-dessous un capteur optique de tempé- rature utilisable dans une turbine à gaz, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du capteur, et la figure 2 est une vue en coupe longitudinale agrandie de l'extrémité sensible du capteur. Le capteur comprend une sonde essentiellement rigide 1 et un câble flexible 2 à fibres optiques La sonde comporte une gaine extérieure cylindrique 3 d'environ 450 mm de long allant de son extrémité avant sensible 4 à une monture arrière 5 o un gaz de refroidissement est délivré à la sonde et o passe le câble optique 2 transmettant le signal optique de sortie. La gaine extérieure 3 a une section circulaire, d'un diamètre exté- rieure de 6 mm L' extrémité avant 6 de la gaine est faite d'un alliage résistant à l'oxydation et aux températures élevées, tel que l'alliage Incoloy MA 956, tandis que son extrémité arrière 7, qui est brasée en 8 à la partie avant, est faite d'un acier tel que le BS T 72 L'extrémité avant de la gaine 3 est fermée, à l'exception d'un petit orifice d'entrée de gaz 21, ménagé dans la face inférieure de la gaine près de l' extrémité 4, et d'un petit orifice de sortie 22 ménagé dans la face opposée de la gaine, mais décalé d'environ 10 mm vers l'arrière par rapport à l'orifice d'entrée Les deux orifices 21 et 22 communiquent avec une chambre de stagnation 23 ménagée dans l'extrémité de la sonde A l'intérieur de cette chambre 23 se trouve un élément de capteur 24 formé par un court barreau cylindrique en saphir, ou un élément similaire optiquement transparent, dont l' extrémité avant est pourvue d'un revêtement opaque 25 fait d'une matière thermiquement émettrice et résistante à l'oxydation, telle qu'un oxyde métallique. L'élément 24 a environ 7 mm de long et une section circulaire dont le diamètre est réduit à 2 mm à son extrémité avant, si bien qu'il y a un espace annulaire autour de l'élément 24 à l'intérieur de la gaine 3, au voisinage de l'orifice de sortie 22 L'extrémité arrière de l'élément 24 a le même diamètre que l'intérieur de la gaine 3 et une forme en gradin de façon à s'appuyer contre un épaulement 20 ménagé dans la surface intérieure de la gaine un peu en arrière de l'orifice de sortie 22 La disposition de l'extrémité arrière de l'élément 24 est telle que prati- quement aucun écoulement de gaz ne peut passer à l'arrière de l'élément L'élément 24 est monté concentriquement dans la chambre 23 de sorte qu'un flux de gaz peut passer sur son extrémité revêtue 25 et autour de ses flancs incurvés, entre l'orifice d'entrée 21 et l'orifice de sortie 22 L'extrémité arrière de l'élément en saphir 24 est bloquée contre l'épaulement 20 par appui de l'extrémité avant d'une entretoise tubulaire antérieure 30 en alliage Incoloy MA 956 L'entretoise anté- rieure 30 a une longueur d'environ 5 mm et un diamètre extérieur égal au diamètre intérieur de la gaine 3, lui donnant un ajustement serré dans la gaine L' extrémité arrière de l' entretoise 30 est épaulée par une barrière thermique 31 en forme de disque La barrière thermique est formée par une plaque circulaire en saphir dont une des faces est recouverte d' un revêtement opaque 32, à l' exception d'une ouverture centrale circulaire 33 de 2 m de diamètre La barrière thermique 31 a le même diamètre que l'intérieur de la gaine 3 et est positionnée au moyen d'une entretoise tubulaire intermédiaire 34 en Incoloy qui est ajustée de manière serrée dans la gaine, tout comme l'entretoise anté- rieure 30 Juste derrière la barrière thermique 31, un petit orifice de sortie de gaz de refroidissement 35 d'un diamètre de 2,4 mm est ménagé à travers la gaine 3 et l'entretoise 34 Cet orifice 35 se trouve dans la face supérieure du capteur, en alignement avec l'autre orifice de sortie 22. L'entretoise intermédiaire 34 s'étend en direction de l'arrière de la sonde sur une distance d'environ 105 mm et son extrémité arrière s'appuie contre une lentille convergente 36 en saphir La lentille a une forme circulaire, mais plusieurs rainures longitudinales 37 sont fraisées dans sa surface périphérique pour former des passages pour le gaz de refroidissement Du côté de l'arrière, le bord de la lentille 36 est en contact avec l'extrémité avant d'une entretoise postérieure 38 qui est semblable aux autres entretoises 30 et 34 et qui a une longueur de 38 mm L'extrémité avant de l'entretoise postérieure 38 et l'extrémité arrière de l' entretoise intermédiaire 34 sont entaillées de façon à former des gorges ou des créneaux 39 afin d'améliorer l' écou- lement du gaz autour de la lentille L'entretoise postérieure 38 est fixée dans la gaine 3 par le joint brasé 8 entre la partie avant 6 et la partie arrière 7 de la gaine La distance focale de la lentille 36 et les longueurs des entretoises 30, 34 et 38 sont choisies de manière que la lentille 36 forme une image de l'extrémité avant revêtue 38 de l'élément 24 dans le plan transversal de l'extrémité avant du câble optique 2, laquelle se trouve à environ 5 mm de l'entretoise postérieure. L'extrémité avant du câble optique 2 est pourvu d'une virole métal- lique rigide 40 qui est fixée dans la gaine 3 par brasage Des méplats 41 ou des reliefs superficiels analogues sont fraisés le long de la surface extérieure de la virole pour former des passages permettant au gaz de refroidissement de circuler entre le câble 2 et la gaine 3. En arrière de la virole 40 le diamètre extérieur du câble 2 est inférieur au diamètre inférieur de la gaine 3, de sorte qu'il y a un passage annulaire 42 pour le gaz autour du câble La partie du câble otique 2 située à l'intérieur de la sonde 1 comporte un faisceau rigide de fibres long d'environ 300 mm, le reste du câble étant flexible et pouvant avoir une longueur de 5 à 20 m L'extrémité arrière du câble 2 va jusqu'à une unité de détection 100 qui délivre des signaux élec- triques de sortie à un processeur 101, lequel délivre un signal de sortie représentatif de la température à un affichage ou un autre dispositif utilisateur 102. A son extrémité arrière, la gaine 3 est brasée dans un collet 43 de l'extrémité avant de la monture 5 La monture 5 est une pièce usinée en acier, présentant un alésage axial 44 dans lequel se trouve le câble 2 L'extrémité arrière de l'alésage 44 est scellée par un embout 5 monté sur le câble et collé à la monture 5 au moyen d'une résine époxy, afin d'empêcher que du gaz ne s'échappe à cet endroit. Extérieurement, la monture 5 est pourvue de deux collerettes radiales 46 et 47 La collerette avant 46 comporte plusieurs ouvertures 48 pour des boulons (non représentés) fixant la sonde dans le moteur La collerette arrière 47 porte un raccord fileté extérieurement 49 traversé par un alésage 50 qui communique, dans la monture 5, avec un trou latéral 51 lui assurant une communication avec l'alésage axial 44. Quand elle est installée dans un moteur à turbine à gaz, la sonde 1 est supportée par la monture 5 à son extrémité arrière et par deux supports 60 et 61 espacés l'un de l'autre le long de la sonde. L'extrémité 4 de la sonde est placée dans un flux montant (dans la position représentée) de gaz dont la température peut aller jusqu'à 1 300 C Les premiers 55 mm à l'avant du capteur sont exposés à cette température sur leur surface extérieure La température de l'extérieur de la partie intermédiaire du capteur, y compris la partie o se trouve la lentille 36, est d'environ 800 à 6001 C La température extérieure dans la zone de l'extrémité avant du câble 2 est d' environ C De l'air ou un autre gaz de refroidissement est délivré par un compresseur 63 dans le raccord 49, d'o il s'écoule dans le trou 51 et dans l'alésage axial 44 jusqu'au passage de gaz 42 L'air de refroi- dissement s' écoule ensuite dans l'entretoise postérieure 38 et dans l'entretoise intermédiaire 34 en passant dans les rainures 37 autour de la lentille 36 A l'extrémité avant de 1 ' entretoise intermédiaire 34, la circulation du gaz le long de la sonde 1 est bloquée par la barrière thermique 31, de sorte que l'air de refroidissement sort de la sonde par l'orifice 35 De la sorte, l'air refroidit le câble 2, la lentille 36 et la barrière thermique 31, de même que les entretoises 38 et 34 et la partie de la gaine 3 située en arrière de la barrière 31 La pression de l'air de refroidissement doit être supérieure à la pression des gaz du moteur dans la zone de l'orifice 35 pour que l'air puisse effecti- vement sortir de la sonde. Le gaz chaud entrant par l'orifice 21 est freiné dans la chambre de stagnation 23, de sorte qu'il est presque arrêté sur l'élément 24, avant de sortir par l'orifice 22 De cette manière, l'élément 24 est soumis à la température totale du flux gazeux L'élément 24 et son revêtement 25 sont donc portés à la température du gaz et ce revê- tement émet du rayonnement dans un spectre qui dépend de cette température. Le corps de l'élément 24 empêche que du gaz chaud soit en contact avec la face arrière du revêtement 25, de sorte que cette face arrière émettrice du revêtement est protégée contre des détériorations et des contaminations En outre, ceci empêche que des particules contenues dans le gaz chaud viennent dans le champ du rayonnement entre le revêtement 25 et le câble 2 Comme l'élément 24 est protégé contre le gaz de refroidissement par l'intervalle situé à l'intérieur de l'entretoise tubulaire antérieure 30, il reste à la température voulue, à savoir celle du flux de gaz chaud. La taille de l'ouverture 33 réservée sur la barrière thermique 31 est choisie de façon que seul le rayonnement provenant du revêtement 25 soit focalisé sur l'extrémité du câble 2 Le rayonnement indésirable tel que celui de la gaine 3, qui pourrait traverser les surfaces non revêtues de l'élément transparent 24, est empêché d'atteindre le câble 2 par le revêtement opaque 32 de la barrière thermique La longueur de l'intervalle entre la barrière thermique et l'élément transparent 24 est aussi courte que possible Si le capteur est utilisé dans un moteur, il sera soumis à des vibrations qui produiront une certaine flexion de la sonde En plaçant l'ouverture 33 aussi près que possible de la surface émettrice 25, on minimise les mouvements relatifs entre l ouverture et cette surface, donc les variations produites dans le niveau du rayonnement incident sur le câble optique 2 par la flexion de la sonde La puissance et la positon de la lentille sont telles que l'image formée sur l'extrémité du câble optique 2 est réduite d'un facteur trois Puisque le diamètre de l'extrémité revêtue de l'élément 24 est égal à 2 mm, son image occupera une zone circulaire de 0,67 mm de diamètre au centre de l'ouverture du câble Autour de cette image, il y aura une image d' une zone de 6 mm de diamètre du plan- objet, comprenant la barrière thermique 31 Comme celle-ci est maintenue froide, elle n'émet pas une quantité notable de rayonnement et n'affecte donc pas le signal sur le câble L'image du revêtement 25 de l' élément transparent 24 n'occupe qu'une zone centrale sur l'ouverture du câble, qui a 2 mm de largeur, si bien que cette image peut se déplacer de 0,67 mm dans n'importe quelle direction tout en restant dans l'ouverture du câble Ce déplacement est équivalent à un déplacement de 2 mm de l' élément transparent 24, c' est-à-dire que le capteur a une tolérance de flexion de 2 mm. La construction du capteur minimise la quantité de saphir ou d'une autre matière transmettant le rayonnement entre l'extrémité du capteur et le câble optique Ceci réduit à un minimum tout effet résultant d' une émission thermique du saphir lui-même Même si l' élément en saphir 24 émet un certain rayonnement, celui-ci est à la même tempé- rature que le revêtement et il a donc les mêmes caractéristiques spec- trales, donc il n'a pas d'effet nuisible sur la mesure de température. La masse de la barrière thermique 31 et de la lentille 36 est relati- vement faible, de sorte que la quantité de rayonnement émise par ces éléments sera aussi faible La contribution de la barrière thermique 31 et de la lentille 36 est en outre réduite parce que ces pièces sont refroidies. L'agencement du capteur permet de placer son extrémité sensible dans une zone qui est plus froide qu'une zone située en arrière de cette extrémité, sans que la zone chaude n'affecte l'indication donnée par le capteur Ceci résulte de la faible masse de matière que la sonde contient en arrière de son extrémité sensible et du fait que cette matière est maintenue froide par le gaz de refroidissement. Dans un moteur, on peut utiliser plusieurs de ces capteurs ayant différentes longueurs, pour mesurer les températures en différents points sur la largeur d'un flux de gaz chaud. La présente invention n'est pas limitée à l' exemple décrit ci-dessus, mais elle s'étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier En particulier, divers autres matériaux peuvent être utilisés dans un tel capteur, par exemple la gaine peut être en céra- mique pour des applications dans des conditions de hautes températures. REVENDICATIONS 1 Capteur optique de température comportant une sonde extérieure allongée, pourvue d'un élément optiquement transparent situé à proxi- mité d' une extrémité avant de la sonde et exposé à la température à mesurer, et un guide de rayonnement optique s'étendant dans la sonde et sur lequel est focalisé un rayonnement venant de l'élément transparent, caractérisé en ce que la sonde ( 1) comporte un conduit à gaz sur la majeure partie de sa longueur et des moyens ( 50, 51, 44) pour délivrer un gaz de refroidissement à ce conduit, en ce que le guide de rayonnement ( 2) est exposé au gaz de refroidissement et en ce que ledit élément transparent ( 24) est protégé contre le gaz de refroidissement. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une barrière thermique optiquement transparente ( 31) est placée dans la sonde ( 1) de façon à être exposée au gaz de refroidissement et à protéger ledit élément transparent ( 24) contre ce gaz. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barrière thermique ( 31) comporte un revêtement opaque ( 32) présentant une ouverture centrale ( 33) et empêchant qu'une partie du rayonnement atteigne le guide de rayonnement ( 2). 4 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément transparent ( 24) comporte, sur l'une de ses surfaces, un revêtement opaque ( 25) émettant un rayonnement par effet thermique. 5 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément transparent ( 24) est placé dans une chambre ( 23) ménagée dans l'extrémité avant de la sonde ( 1) et en ce que ladite chambre ( 23) est ouverte vers l'extérieur de la sonde par un orifice d'entrée ( 21) et un orifice de sortie ( 22) permettant à un flux gazeux de passer à travers la chambre ( 23) et sur l'élément transparent ( 24), il de sorte que le rayonnement focalisé sur le guide de rayonnement ( 2) est représentatif de la température du flux gazeux dans la chambre ( 23). 6 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément transparent ( 24) a sensiblement la forme d'un barreau longitudinal, en ce qu'un espace annulaire est ménagé entre l'extrémité avant dudit élément ( 24) et des parois latérales de la sonde ( 1), et en ce que l'extrémité arrière dudit élément ( 24) est agencée de façon à empêcher tout écoulement de gaz en direction de l'arrière de la sonde ( 1) au niveau de cette extrémité de l'élément ( 24). 7 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille ( 36) focalisant une image d'une partie dudit élément transparent ( 24) sur une extrémité du guide de rayon- nement ( 2) et en ce que cette image est plus petite que l'extrémité du guide de rayonnement ( 2). 8 Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'image formée par la lentille ( 36) est plus petite que ladite partie de l'élément transparent ( 24). 9 Capteur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que des rainures ( 37) sont ménagées entre la lentille ( 36) et la sonde ( 1) pour le passage du gaz de refroidissement entre la lentille et la sonde. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un orifice d'entrée ( 49, 50) pour le gaz de refroi- dissement, à une extrémité arrière du capteur, et un orifice de sortie ( 35) du gaz de refroidissement, situé en avant dudit orifice d'entrée et en arrière dudit élément transparent ( 24).