Brevet FR2685952A1 — publié le 19930709

PROCEDE DE MESURE DE LA VARIATION D'EPAISSEUR D'UNE PAROI NON METAILIOLE NOTAMMENT D'UNE PAROI REFRACTAIRE D'UN FOUR CONTENANT UN BAIN METALIIQUE. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure des paramètres d'ondes émises et réfléchies dans une paroi non métallique, par exemple d'une paroi réfractaire d'un four ou d'une rigole de haut fourneau, contenant un bain métallique, ledit procédé et son dispositif utilisant une relation entre les paramètres mesurés des ondes et le rayon intérieur de cette paroi pour connaître l'épaisseur de cette dernière. Selon un procédé connu pour déterminer l'épaisseur de la paroi réfractaire d'un four à induction on utilise l'analogie entre un tel four et un transformateur. Ainsi on relève des paramètres électriques du four et on calcule son impédance Z=U2/P, U étant la tension aux bornes de l'inducteur et P la puissance injectée. Expérimentalement, on constate que Z est une fonction linéaire du diamètre intérieur moyen du four. L'inconvénient d'une telle technique est que la valeur du diamètre intérieur du four est une valeur moyenne de toute la hauteur du creuset, ce qui ne met pas en évidence les problèmes locaux. En particulier, une érosion et un encrassement situés en deux endroits distincts, ont des effets qui se compensent. La publication EP-A-335470 décrit un procédé qui utilise une sonde émettrice d'ultrasons insérée dans la paroi du four qui s'érode à la même vitesse que la paroi de ce four, ce qui modifie les signaux ultrasoniques émis par la sonde. Pour ce faire, on mesure le temps que met l'onde pour effectuer un aller-retour, ce qui permet d'évaluer localement, c'est-à-dire où est implantée la sonde, l'épaisseur de la paroi du four. Selon la publication EP-A-65583, le procédé décrit utilise des ondes électromagnétiques, mais là encore les antennes s'érodent avec la paroi du four. Le principé de mesure utilise des impulsions et effectue la transformée de Fourier de l'onde réfléchie, c'est donc le décalage entre la réflexion au début de la mesure servant de référence et la réflexion au fur et à mesure de l'usure, qui permettra d'évaluer ladite usure. Dans les deux publications précitées, bien que la mise en évidence des problèmes locaux soit possible, l'utilisation de sondes ou de conducteurs qui s'érodent de la même manière que les parois réfractaires d'un creuset interdit le remplacement dudit creuset sans le remplacement desdites sondes et conducteurs. L'invention permet de remédier aux inconvénients de tels procédés. Ladite invention consiste en l'utilisation d'un paramètre lié aux ondes électromagnétiques incidente et réfléchie. Plus précisément, un analyseur de réseau, commandé par un micro-ordinateur, génère une onde électromagnétique de fréquence donnée comprise dans la gamme des hyperfréquences. Cette onde est envoyée à travers un commutateur qui l'oriente vers un émetteur se trouvant en contact avec la paroi à mesurer, elle-même en contact avec un bain métallique. L'onde réfléchie par le bain métallique est alors récupérée par un récepteur qui, via le commutateur, va la renvoyer vers l'analyseur de réseau.Ledit analyseur va effectuer, à partir des amplitudes maximales du champ électrique des ondes incidente et réfléchie, le calcul d'un paramètre caractéristique appelé Taux d'Ondes Stationnaires, ci-après désigné sous la forme TOS. La valeur ainsi calculée est transmise au micro-ordinateur qui la compare à la courbe du TOS en fonction de l'épaisseur, établie à partir de données théoriques et de résultats obtenus lors d'une phase d'étalonnage qui sera précisée dans la description qui suit. Après cette comparaison, le micro-ordinateur affiche la valeur de l'épaisseur, sélectionne un autre couple émetteur-récepteur en agissant sur le commutateur et la mesure recommence. Le positionnement des moyens émetteurs-récepteurs du côté extérieur de la paroi à mesurer, alors que le bain métallique se trouve de l'autre côté, permet.de ne pas éroder lesdits moyens. Une seconde caractéristique de l'invention découle de ce qui vient d'être écrit ci-dessus. La-paroi réfractaire ne contenant pas de moyens émetteurs et récepteurs, celle-ci peut être démontée sans pour cela toucher au dispositif de mesure ci-dessus décrit. Le procédé conforme à l'invention trouve en particulier une application dans les fours à induction et les rigoles de haut fourneau. D'autres caractéristiques et avantages du procédé d'un exemple de réalisation du dispositif, ici dans une paroi réfractaire d'un four à induction à creuset, apparaîtront à la lecture de la description en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif, - la figure 2 est la représentation de la courbe d'étalonnage où le TOS varie en fonction du produit du nombre d'onde par la distance entre le centre du four et le côté interne de la paroi, - la figure 3 est un schéma d'ensemble d'un four à induction, - la figure 4 est un détail de la paroi du four suivant le cercle A de la figure 3. Le four conforme à l'invention a une paroi réfractaire qui est double. Une première paroi externe (3) faite de béton réfractaire peut contenir des éléments émetteurs-récepteurs (10,11) mais aussi une bobine (4) dans le cas d'un four à induction. Une seconde paroi interne dite creuset (9) enveloppée par la première paroi (3) sert de contenant au bain de métal liquide (7). Cette seconde paroi (9) à la particularité d'avoir une épaisseur précise et connue. Compris entre les deux parois, on trouve une couche d'isolant (6). Cet isolant (6) a deux fonctions. Tout d'abord il sert à isoler thermiquement le réfractaire contenant le métal liquide en fusion (7) du reste du dispositif, ensuite il a un rôle de plan de glissement lorsque l'on désolidarise le creuset (9) de la paroi externe (3) pour un remplacement dudit creuset (9). Néanmoins on peut envisager un four ne comprenant qu'un creuset (9) avec à son contact des moyens émetteurs-récepteurs (10,11) qui peuvent être portés par autre chose qu'une paroi externe (3). On peut aussi imaginer des systèmes de fixations internes au creuset (9) ou encore la possibilité de faire adhérer les moyens émetteurs-récepteurs (10,11) au dit creuset (9). La figure 3 est scindée en deux. La partie supérieure est représentative d'une configuration de four où l'on trouve entre L'antenne (2) et la paroi à mesurer (9), une couche de béton réfractaire provenant de la paroi externe (3). La partie inférieure montre un tel four, où L'antenne (2) est directement au contact avec la paroi à mesurer. Les moyens émetteurs et récepteurs (10,il) sont constitués par une seule et même structure, des antennes émettrices-réceptrices (2). Leur nombre, au minimum une et leur répartition, selon certaines zones sensibles à contrôler plus précisément, sont déterminés en fonction de la surface du creuset (9) à visualiser. Ces antennes (2) ont une géométrie adaptée à I'environnement d'utilisation, par exemple cavité rayonnante, guide d'onde ouvert. Cependant la géométrie doit être telle que I'échauffement soit le plus faible possible. Dans le cas où l'échauffement est dû à l'induction, l'antenne (2), constituée par exemple d'un guide d'onde ouvert en laiton, doit être fendue sur sa hauteur afin d'empêcher les lignes de courants de Foucault de se refermer et de prévenir I'échauffement par induction.L'extrémité des antennes (2) se situe dans la paroi externe (3) soit au contact de la couche d'isolant (6), soit avec, intercalée entre I'extrémité des antennes (2) et la couche d'isolant (6) une certaine épaisseur connue de béton réfractaire constituant la paroi externe (3). C'est cette structure qui permet le retrait du creuset (9) de la paroi externe (3) qui l'enveloppe, sans avoir à toucher ni à changer les moyens émetteurs et récepteurs (10,11) qui sont, eux, contenus par la paroi externe (3). Le dispositif de mesure décrit à la figure 1 présente en plus de la paroi du four vue ci-dessus, un micro-ordinateur (8), un analyseur de réseau (1) et un commutateur (5). Ce dispositif de mesure de l'épaisseur d'une paroi (9) au contact d'au moins deux moyens émetteurs et récepteurs (10,11) d'ondes électromagnétiques, fonctionne de telle sorte que le microordinateur (8) sélectionne une antenne (2) par l'intermédiaire du commutateur (5) qui a pour fonction d'associer à une entrée donnée une sortie variable. Cette antenne (2) va recevoir I'onde électromagnétique générée par l'analyseur de réseau (1), lui-même piloté par le microordinateur (8), et ensuite la transmettre dans la paroi intérieure (9) du four. Cette onde électromagnétique incidente est ensuite réfléchie à I'interface entre la paroi intérieure (9) et le métal liquide (7) contenu par le four.L'antenne (2) va ensuite réceptionner l'onde électromagnétique réfléchie et la diriger vers I'analyseur (1). Celui-ci va mesurer l'amplitude maximale (Emax) du - champ électrique des ondes électromagnétiques incidente (I) et réfléchie (R), et calculer le TOS qui est égal au rapport 'de la somme des amplitudes maximales du champ électrique des ondes électromagnétiques incidente et réfléchie par la différence des amplitudes maximales du champ électrique des ondes électromagnétiques incidente et réfléchie: Emax I + Emax R TOS = Emax I - Emax R Les calculs effectués, les valeurs du TOS sont transmises au microordinateur qui en effectue la moyenne. Les données théoriques de détermination de la courbe TOS en fonction de I'épaisseur sont doubles. Tout d'abord si l'on considère la diffraction d'une onde électromagnétique plane par un cylindre conducteur de rayon a et que l'on trace le TOS en fonction de ka = 2R a/A (où X est la longeur d'onde), on obtient la courbe représentée à la figure 2. Ensuite l'analogie entre ce cas théorique et le cas pratique présenté ici est possible en considérant I'onde incidente comme plane et le métal comme parfaitement conducteur. Ainsi la variation de l'épaisseur de la paroi à mesurer, qui est égale à la variation du rayon du cylindre, est directement reliée à la valeur mesurée du TOS. La courbe 2 indique qu'à la valeur de TOS peut correspondre plusieurs valeurs de ka, donc de a. I1 est donc souhaitable, et c'est ce qui est réalisé pendant la phase d'étalonnage, de choisir des réglages (de la fréquence en particulier) tels que la variation totale du TOS, entre les valeurs minimale et maximale de l'épaisseur, corresponde à une portion strictement monotone de la courbe 2 ; il existe ainsi une relation bijective entre la valeur du TOS mesurée et l'épaisseur de la paroi. Pour que tout le procédé puisse se réaliser, un programme a été développé afin de permettre au micro-ordinateur (8) de piloter l'ensemble du dispositif. Ainsi le micro-ordinateur (8) assure la coordination entre le commutateur (5) et l'analyseur (1), l'acquisition des données, le calcul de la variation d'épaisseur à partir de la valeur mesurée du TOS et dei la courbe d'étalonnage établie lors d'essais préliminaires, et enfin l'affichage de ces variations. L'analyseur de réseau émetteur d'ondes électromagnétiques travaille à amplitude et fréquence fixes. De même la mesure du TOS est effectuée par ledit analyseur à intervalles réguliers pendant une période préétablie. Le commutateur est du type hyperfréquence et fonctionne comme un commutateur classique, sa spécificité réside dans la qualité des contacts qui doivent être très bons de manière à limiter au maximum l'absorption et la réflexion de l'onde électromagnétique transmise. REVENDICATIONS 1) Procédé de mesure de l'épaisseur d'une paroi non métallique (9) notamment d'une paroi réfractaire d'un four contenant un bain métallique (7), caractérisé en ce que l'on génère des ondes électromagnétiques dans ladite paroi (9), que l'on mesure des amplitudes maximales du champ électrique des ondes électromagnétiques incidente et réfléchie à l'intérieur de la paroi (9) et que l'on calcule le taux d'ondes stationnaires représentatif de l'épaisseur de la paroi (9), ledit taux étant égal au rapport de la somme des amplitudes maximales du champ électrique des ondes électromagnétiques incidente et réfléchie par la différence des amplitudes maximales du champ électrique des ondes électromagnétiques incidente et réfléchie. 2) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 constitué d'un micro-ordinateur (8), un analyseur de réseau (1), au moins un moyen émetteur (10) et au moins un moyen récepteur (11), caractérisé en ce que l'analyseur de réseau (1) engendre les ondes électromagnétiques incidentes envoyées vers le moyen émetteur (10) et réceptionne les ondes électromagnétiques réfléchies en provenance du moyen récepteur (11) permettant à l'analyseur de réseau (1) le calcul du taux d'ondes stationnaires. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen émetteur (10) et le moyen récepteur (11) forment une antenne émettrice-réceptrice (2) et que dans le cas d'un dispositif à deux antennes (2), un commutateur (5) est inséré dans le dispositif. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens émetteurs et récepteurs (10,11) sont extérieurs à la paroi à mesurer (9). 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi à mesurer (9) est démontable. 6) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi (9) à mesurer est enveloppée par une paroi (3) porteuse des moyens émetteurs-récepteurs (10,11). 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi intérieure (9) est démontable par rapport à la paroi (3) porteuse des moyens émetteurs-récepteurs (10,11). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 6, caractérisé en ce qu'une couche d'isolant (6) est placée entre la paroi intérieure à mesurer (9) et la paroi (3) porteuse des moyens émetteurs-récepteurs (10,11) ou entre la paroi à mesurer (9) et les moyens émetteurs-récepteurs (10,11).