Brevet FR2716533A1 — publié le 19950825

Dispositif de mesure de température à balayage. La présente invention est relative à un dispositif de mesure de température sans contact sur des matériaux semi-transparent distant les uns des autres à des fins de comparaison de leur température. Le domaine technique de l'invention est celui de la mesure de température. La fabrication d'artide de verre met en oeuvre généralement un four dans lequel le verre est fondu, ainsi qu'une machine équipée d'un chenal qui permet d'acheminer le verre fondu jusqu'à un bassin (appelé bassin de travail), muni d'orifices par lesquels le verre s'écoule par gravité, de manière à former des coulées verticales. Ces veines sont ensuite "tronçonnées" par des ciseaux en artides appelés "gobs" ou paraisons et sont dirigées ensuite vers des moules qui leur donnent leur forme définitive. La mesure de la température de ces coulées, ou des gobs nécessite une mesure sans contact qui peut par exemple être réalisée par des pyromètres optiques. On connaît déjà des pyromètres monochromatiques qui donnent la température d'un corps opaque à la longueur d'onde de mesure, lorsque l'on connaît son émissivité. On connaît également des pyromètres bichromatiques qui permettent de mesurer le rayonnement d'un corps opaque sur deux longueurs d'ondes proches permettant d'en déduire la température sans connaître son émissivité. On utilise déjà des pyromètres optiques pour mesurer la température du verre notamment sous des longueurs d'ondes supérieures à 5x10-6 mètres. On utilise déjà des pyromètres optiques trilongueurs d'ondes pour étudier le profil thermique d'une coulée de verre. La présente invention est plus particulièrement relative à la mesure des températures des différentes coulées issues du bassin de travail, en amont ou en aval des ciseaux. Un dispositif de refroidissement et d'antisalissure de l'objectif permet à ce pyromètre son fonctionnement en continu. Le problème non résolu par les dispositifs connus de mesure de température de verre fondu est de permettre, sans déplacement du dispositif, la mesure des températures de chaque coulée sous trois longueurs d'ondes, et cela dans un temps réduit afin de déterminer l'écart de température existant entre ces différentes coulées. Si l'on est obligé de viser en aval des ciseaux, il faut pouvoir prendre ces mesures sur des gobs de verre qui tombent à une vitesse de plusieurs mètres par seconde. Dans toutes les descriptions qui suivent, le terme moteur scanner désigne un moteur dont le mouvement peut être contrôlé afin d'exécuter soit un balayage, soit des arrêts en des positions déterminées. Selon des modes particuliers de réalisation: - le miroir est rendu mobile grâce à l'utilisation d'un moteur scanner. II est possible de régler manuellement les positions d'arrêt du miroir. - le détecteur de signal des objets visés est très rapide et est, si nécessaire, refroidit par un effet électrique dit "Peltier" - les dimensions de l'objectif et du détecteur ainsi que la longueur du trajet optique peuvent permettre par exemple de mesurer à trois mètres de distance la température d'un gob de cinq centimètres de largeur. - le support mobile qui contient trois filtres par exemple, assure, à chaque arrêt sur l'un des points à viser, le passage successif de chaque fittre devant le détecteur grâce à un moteur pas à pas - Le hacheur est entraîné à grande vitesse par un moteur sans balai. Les dessins annexés illustrent l'invention: la figure 1 représente en coupe horizontale le corps du pyromètre avec ses principaux éléments constitutifs. la figure 2 représente en coupe verticale l'ensemble miroir mobile et son moteur. la figure 3 ou détail (A) représente en coupe horizontale un bloc détection. la figure 4 représente vu de face une roue portefiftrns. les figures 5 à 9 représentent respectivement les synoptiques des circuits électroniques du traitement du signal, du conditionnement du détecteur infrarouge, de l'asservissement du moteur sans balai, de l'asservissement du moteur pas à pas, et de l'asservissement du moteur scanner. En référence à ces dessins: - avantageusement, une lentille (1) ou bien un couple fenêtre saphir plus lentille peut constituer l'objectif. La lentille peut être choisie dans un matériau à faible variation d'indice pour des longueurs d'ondes sensiblement comprise entre 2 et 5 micromètres, par exemple en ZnSe, ceci afin de rendre l'objectif achromatique. Cette lentille (1) peut être fixé dans un cylindre (2) par exemple par collage sur un épaulement (4). ledit cylindre (2) pouvant ainsi coulisser uniquement longitudinalement à l'intérieur d'un autre cylindre (3) plus grand correspondant à une partie du corps (5) de l'appareil. Le déplacement du cylindre (2) permet de régler la netteté de l'image sur le détecteur infrarouge (21). Le trajet optique passe par trois miroirs. Un miroir mobile (7) peut orienter la visée sur l'objet choisi, un miroir fixe (6) se contente de réfléchir le faisceau optique, un miroir amovible (10) sert lorsque l'on règle manuellement les positions d'arrêt du miroir mobile (7) Ce miroir mobile (7) peut avantageusement être collé sur une pièce métallique (25) plane, percés en de nombreux endroits à des fins d'allégement, celle-ci est supportée par l'axe (26) du moteur dit Scanner (8), elle en est rendue solidaire par une vis de serrage (27). Ledit moteur scanner (8) peut être fixé sur le corps de l'appareil (5). De la graisse (24) plus ou moins visqueuse peut être utilisé comme amortisseur angulaire du miroir (7) lors de son déplacement. Le miroir fixe (6) fig. 1 peut être rendu solidaire du corps de l'appareil par exemple par collage, il peut être disposé à 45" par rapport à l'axe XX'. Un miroir amovible (10) disposé à 45" peut dévier les rayonnements optiques transmis par les miroirs (6) et (7) soit en position travail vers un détecteur infrarouge (21) sensible au rayonnement, soit en position repos vers un oculaire (11). - Avantageusement le rayonnement IR peut être filtré par l'un des trois filtres interférentiels (23), qui sélectionne la longueur d'onde utile et qui séquentiellement peut passer devant le détecteur IR (21), porté par exemple par une roue porteuse de filtres (19), pouvant être entraînée par un moteur, par exemple un moteur pas à pas. Un dispositif de codage peut équiper cette roue porte filtres (19) afin de reconnaître électroniquement chacun desdit filtres interférentiels. Ce dispositif peut par exemple être constitué de deux marques noires sur fond clair (22), deux capteurs à réflexion (18 et 20) fixés sur le bloc détection (A) peuvent changer d'état électrique suivant la présence ou non de la marque noire en face d'eux. Le changement d'état électrique de l'un des deux détecteurs (18 ou 20) permet l'arrêt temporisé du moteur pas a pas (17) à la position désirée, par exemple lorsque l'un des trois filtres interférentiels (23) se trouve sur l'axe rr', la combinaison des deux états électriques desdit détecteurs (18 et 20) indique lequel des trois filtres est présent devant le détecteur infrarouge (21). -Le rayonnement peut être haché par un disque (12) appelé hacheur ou "chopper" coupant alternativement le faisceau infrarouge. Ce hacheur (12) peut être noirci, et être entraîné par exemple par un moteur à courant continu sans balai (15).L'avantage procuré par ce moteur est de générer peu de bruit électrique et surtout d'avoir une longue durée de vie.(Environ dix mille heures).Ce hacheur peut être percé de nombreux trous (par exemple dix-huit) permettant le passage altematif du rayonnement étudié. -Un détecteur à fourche (13) qui peut être infrarouge change d'état électrique à chaque passage d'un trou dans la Fourche. Ce détecteur (13) est utilisé par l'électronique de traitement du signal représentée sur figure 5 pour effectuer une détection synchrone. C'est pourquoi ladite fourche peut être montée sur une pièce permettant son déplacement dans le but d'optimiser les règlages. - Le signal issu du détecteur (21) peut être conditionné par une électronique adaptée (14).selon le synoptique de la figure 6 on peut utiliser pour le conditionnement une tension de référence 30 très stable au cour du temps et sans dérive en température, qui aiimente le détecteur infrarouge 31 , le courant résultant d'un flux infra rouge sur le détecteur est transformé en tension par le circuit de conversion courant / tension 32, la composante haute fréquence de cette tension est éliminé en partie par le circuit 33 , le signal issue de ce montage peut sortir par la sortie 35 afin d'être traité. -Le point de fonctionnement du détecteur infrarouge peut être stabilisé par une régulation de sa température. On peut par exemple le placer à une température de 20 Celsius ou il présente des caractéristiques satisfaisantes. La consigne 36 peut être appliqué à un circuit soustracteur 37 qui génère une tension proportionnelle à la différence entre la tension de consigne et une tension produite par la température du détecteur, cet écart est appliqué à un montage régulateur proportionnel 38 et intégral 39. La somme de ces actions effectué par le circuit additionneur 40 est appliqué à un module à effet peltier 41 utilisé pour refroidir le détecteur infrarouge. Par référence à la figure 5 ,le signal conditionné 85 est amplifié par l'amplificateur 86 une détection synchrone du hacheur 81 est réalisé grâce au capteur à fourche 84 et au circuit multiplieur 87.Un filtrage actif peut être effectué grâce au filtre 88.Un multiplexeur 89 permet d'orienter le signal ainsi filtré vers la voie 92 ,93 ou 94 qui correspond à la position de la roue porte filtre optique 82 à cet instant. Des circuits de mémoire analogique 95 ,96. 97 permettent le maintient du signal sur une voie pendant que les autres sont régénérées. Un effacement de ces mémoires est réalisé à la fin de chaque tour de la roue 82 par le circuit 91. L'ensemble de réglage 98 permet l'étalonnage de l'appareil. Cette électronique peut également gérer les vitesses des moteurs, comme celui du hacheur .Selon le mode de réalisation de la figure 7 une consigne 42 peut être appliqué au régulateur 44,45,46 , la tension peut être ensuite adapté au moteur 48. Le moteur pas à pas qui positionne les filtres optiques peut également être géré par cette électronique Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 8 les signaux issues des capteurs à réflexion 18 et 20 sont combinés par le circuit 53 et déclenchent le début d'une temporisation réglable 54, ladite temporisation bloque le circuit d'horloge 56 par le biais du circuit 55.Lorsque ladite temporisation est terminée, I'horloge est appliquée au circuit de commande 57 , qui permet la rotation du moteur pas à pas 58 jusqu'au prochain signal des capteurs 18 ou 20. Par référence à la figure 9, le moteur scanner permet les mouvements automatiques du miroir mobile de visé. Le nombre de position de balayage à effectuer par cycle peut être défini par le circuit 63. Chaque impulsion 61 appliqué au compteur 62, permet d'appliquer à l'amplificateur 71 une des tension 66, 67, 68 ou 69 qui provoque une rotation du miroir 74 grâce au moteur scanner 73. Tous les câblages peuvent être réalisé par des paires de fils torsadés blindés de faible section. - Cet ensemble peut être contenu dans un boîtier massif qui peut être étanche. - Ce boîtier peut être protégé par un autre boîtier ( appelé jaquette ) connectée à un système de refroidissement qui peut être un circuit, de détente d'air. La sortie de cet air de refroidissement pouvant se faire autour de l'objectif afin de repousser les éventuelles salissures. - Cet ensemble peut être relié par un câble de liaison à un boîtier contenant par exemple les alimentations électriques, et la connectique de sortie des signaux ainsi qu'un dispositif d'affichage des températures. L'invention concerne: 1) Un dispositif permettant de mesurer sans contact et sous plusieurs longueurs d'onde, les températures de différents objets, par exemple quatre, suffisamment rayonnants de préférence dans l'infrarouge, fixes ou mobiles espacés les uns des autres, équipé d'un dispositif de refroidissement et d'antisalissures de l'objectif et d'un ensemble de cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il est à poste fixe, qu'il comporte un moteur dit scanner (8) supportant un miroir (7) destiné à orienter la visée de façon automatique vers des objets prédéfinis, ce moteur et ce miroir étant situés à l'intérieur d'un pyromètre optique infrarouge (5) fixé à la bonne distance du ou des objets à viser, ce pyromètre étant aussi muni d'un détecteur infrarouge (21) suffisamment rapide, d'un hacheur (12) du faisceau optique entraîné à grande vitesse par un moteur sans balai (15), d'une roue porte-fittres (19), placée juste devant le détecteur et assurant le passage successif de chaque filtre devant le détecteur grâce à un moteur pas à pas (17), d'un miroir amovible (10) qui laisse passer l'image de l'objet visé vers le réticule de visée (11) lorsque qu'il ne réfléchit pas celle-ci vers le détecteur. 2) Le dispositif est caractérisé en ce que le miroir (7) dit toumant est supporté par une pièce mécanique (25) sensiblement plane orientable par solidarité avec l'axe (26) dudit moteur scanner (8). 3) Le dispositif est caractérisé en ce que ledit moteur scanner peut être commandé soit par un système de réglage manuel de la visée des objets, soit par un système automatique positionnant successivement ledit miroir tournant vers chacun desdits objets prédéfinis. 4) Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'amortissement des oscillations dudit miroir toumant par l'emploi d'un fluide de viscosité adaptée (24) par exemple en noyant la jonction de la pièce mécanique et de l'axe du moteur scanner dans de la graisse. 5) Le dispositif est caractérisé en ce que la roue porte filtres (19), qui en contient trois par exemple, est d'une part entraînée par un moteur dit pas à pas (17) commandé par l'électronique (fig. 8) tel que pour chaque objet visé, le rayonnement incident est successivement fittré selon la bande étroite centrée sur la longueur d'onde du filtre (23) courant. D'autre part cette roue portefiltres est située entre ledit hacheur de faisceau (12) et ledit détecteur infrarouge (21). 6) Le dispositif est caractérisé en ce que ledit détecteur infrarouge utilisé possède un temps de réponse inférieur à une milliseconde. 7) Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte un hacheur de faisceau entraîné par un moteur sans balai (15) tournant à plus de deux mille tours par minutes et asservi par un dispositif électronique (fig. 7). 8) Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte un miroir dit amovible (10) qui peut avoir deux positions: la première situé sur le trajet du faisceau optique entre le miroir tournant et le hacheur (axe X1YY'Y") afin que l'image de l'objet visé soit réfléchie vers le détecteur, la deuxième en dehors du trajet du faisceau optique afin que l'image de l'objet visé aille vers le réticule de visée REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant de mesurer sans contact et sous plusieurs longueurs d'onde, les températures de différents objets, par exemple quatre, suffisamment rayonnants de préférence dans l'infrarouge, fixes ou mobiles espacés les uns des autres, équipé d'un dispositif de refroidissement et d'antisalissures de l'objectif et d'un ensemble de cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il est à poste fixe, qu'il comporte un moteur dit scanner (8) supportant un miroir (7) destiné à orienter la visée de façon automatique vers des objets prédéfinis, ce moteur et ce miroir étant situés à l'intérieur d'un pyromètre optique infrarouge (5) fixé à la bonne distance du ou des objets à viser, ce pyromètre étant aussi muni d'un détecteur infrarouge (21) suffisamment rapide, d'un hacheur (12) du faisceau optique entraîné à grande vitesse par un moteur sans balai (15), d'une roue portefiltres (19), placée juste devant le détecteur et assurant le passage successif de chaque filtre devant le détecteur grâce à un moteur pas à pas (17), d'un miroir amovible (10) qui laisse passer l'image de l'objet visé vers le réticule de visée (11) lorsque qu'il ne réfléchit pas celle-ci vers le détecteur. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le miroir (7) dit tournant est supporté par une pièce mécanique (25) sensiblement plane orientable par solidarité avec l'axe (26) dudit moteur scanner (8). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit moteur scanner peut être commandé soit par un système de réglage manuel de la visée des objets, soit par un système automatique positionnant successivement ledit miroir tournant vers chacun desdits objets prédéfinis. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'amortissement des oscillations dudit miroir toumant par l'emploi d'un fluide de viscosité adaptée (24) par exemple en noyant la jonction de la pièce mécanique et de l'axe du moteur scanner dans de la graisse. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la roue porte filtres (19), qui en contient trois par exemple, est d'une part entraînée par un moteur dit pas à pas (17) commandé par l'électronique (fig. 8) tel que pour chaque objet visé, le rayonnement incident est successivement filtré selon la bande étroite centrée sur la longueur d'onde du filtre (23) courant. D'autre part cette roue porte-filtres est située entre ledit hacheur de faisceau (12) et ledit détecteur infrarouge (21). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit détecteur infrarouge utilisé possède un temps de réponse inférieur à une milliseconde. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un hacheur de faisceau entraîné par un moteur sans balai (15) toumant à plus de deux mille tours par minutes et asservi par un dispositif électronique (fig. 7). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte un miroir dit amovible (10) qui peut avoir deux positions: la première situé sur le trajet du faisceau optique entre le miroir toumant et le hacheur (axe X'ST') afin que l'image de l'objet visé soit réfléchie vers le détecteur, la deuxième en dehors du trajet du faisceau optique afin que l'image de l'objet visé aille vers le réticule de visée