Brevet FR2739930A1 — publié le 19970418

TETE DE SONDE, EN PARTICULIER POUR ETRE MONTEE A L'EXTREMITE D' UNE CANNE PYROMETRIQUE. L'invention est relative à une tête de sonde pour effectuer des mesures dans un bain de métal en fusion, en particulier une mesure d'activité d'oxygène et/ou une mesure de température. La tête de sonde visée par l'invention est du genre de celles qui comprennent des éléments de mesure, en particulier une cellule électrochimique et/ou un thermocouple, montés à l'intérieur d'un corps tubulaire métallique rempli de ciment réfractaire ou matière équivalente, enrobant en partie les éléments de mesure qui font saillie, suivant une direction parallèle à l'axe du corps tubulaire, au-delà d'une première extrémité de ce corps tubulaire destinée à être plongée dans le métal en fusion, le corps tubulaire étant entouré sur une partie de sa longueur par une enveloppe, généralement en sable de fonderie, dont il déborde par sa première extrémité pour établir un contact avec le bain de métal et fermer un circuit raccordé à l'autre extrémité du corps tubulaire, cette autre extrémité étant munie d'un support, généralement en matière plastique, équipé d'organes de contact électrique. Habituellement, cette tête de sonde est montée à l'extrémité d'une canne pyrométrique comportant un circuit de mesure. Bien que le support en matière plastique, ou matière équivalente se trouve à l'opposé de l'extrémité de la tête de sonde plongée dans le bain de métal en fusion, il est souhaitable d'améliorer la protection de ce support contre la chaleur. En outre, lorsqu'un thermocouple est prévu, comme c'est généralement le cas, les jonctions froides du thermocouple se trouvent au voisinage du support en matière plastique et doivent être également protégées au maximum de la chaleur pour une mesure satisfaisante L'invention a pour but, surtout, de fournir une tête de sonde qui assure une meilleure protection contre la chaleur des parties de cette tête pour lesquelles il convient d'éviter une trop forte montée en température. L'invention a également pour but de fournir une sonde qui, tout en assurant une meilleure protection thermique de certaines parties, reste d'une construction simple, robuste et économique et permette un montage aisé des différents éléments de la tête de sonde. Pour résoudre ce problème, selon l'invention, le corps tubulaire métallique de la tête de sonde est réalisé en au moins deux parties, à savoir une partie contact bain et une partie corps de sonde, ces deux parties étant séparées thermiquement l'une de l'autre, et une liaison électrique est prévue à l'extérieur de ces deux parties, entre au moins la partie contact bain et une borne de raccordement prévue sur le support, cette liaison électrique étant située radialement à l'extérieur d'une zone de séparation thermique des deux parties du corps. De préférence, une liaison électrique est assurée également entre la surface extérieure des deux parties du corps par le fil conducteur. Généralement, deux fils conducteurs sont prévus, par exemple diamétralement opposés. Le fil conducteur de liaison est avantageusement un fil aplati, en particulier en acier. De préférence le fil de liaison électrique s'étend sensiblement parallèlement à l'axe du corps tubulaire depuis une zone de la partie contact bain située au voisinage de la zone de séparation des deux parties du corps tubulaire, jusqu'au support . De préférence encore, les deux parties du corps tubulaire ont même diamètre extérieur et, généralement, même diamètre intérieur. La partie contact bain a une longueur axiale plus faible que la partie corps de sonde, notamment inférieure au tiers de la longueur de la partie corps de sonde. Selon une première possibilité, l'espace entre les deux parties de corps tubulaire est comblé par le ciment réfractaire situé à l'intérieur du corps tubulaire. Selon une autre possibilité, la tête de sonde comporte une pièce en céramique présentant sensiblement à mi-longueur une collerette propre à se loger dans l'espace compris entre les deux parties de corps, cette pièce en céramique présentant en outre deux tronçons cylindriques en saillie axialement de part et d'autre de la collerette pour assurer un centrage des deux parties de corps tubulaire. De préférence, la pièce en céramique comporte un logement d'axe parallèle à celui du corps tubulaire, pour recevoir la cellule électrochimique. Selon une autre possibilité l'espace compris entre les deux parties de corps tubulaire est comblé par le sable de fonderie entourant extérieurement le corps tubulaire. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autre dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec références au dessin ci-annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. La figure 1, de ce dessin, représente partiellement en coupe verticale axiale, et partiellement en extérieur, une tête de sonde conforme à l'invention. La figure 2 représente, semblablement à la figure 1 avec certaines parties enlevées, une variante de réalisation de la tête de sonde selon l'invention. La figure 3 est une vue en perspective d'un détail de la figure 2, à plus grande celle. La figure 4, enfin, montre en coupe verticale axiale une autre variante de réalisation de la tête de sonde selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on peut voir une tête de sonde T destinée à être montée à l'extrémité d'une canne pyrométrique C sommairement représentée. La tête de sonde T est prévue pour effectuer des mesures dans un bain de métal en fusion, notamment un bain d'acier. Dans l'exemple représenté, la tête T est prévue pour une mesure de l'activité d'oxygène par une cellule électrochimique 1 se présentant, extérieurement, sous la forme d'un doigt de gant, et pour une mesure de température à l'aide d'un thermocouple 2 dont les jonctions chaudes sont installées dans un tube en quartz 3 en forme de U. Les éléments de mesure constitués par la cellule 1 et le thermocouple 2 sont montés à l'intérieur d'un corps tubulaire métallique B rempli de ciment réfractaire 4, ou matière équivalente, enrobant en partie la cellule 1 et le thermocouple 2.Ces éléments de mesure font saillie, suivant une direction parallèle à l'axe A du corps tubulaire B, au-delà d'une première extrémité 5 de ce corps B destinée à être plongée dans le métal en fusion. Comme visible d'après la figure 1, le thermocouple fait saillie par la partie recourbée du U, dont les deux branches parallèles sont pour leur majeure partie noyées dans le ciment réfractaire 4. Les parties en saillie de la cellule 1 et du thermocouple 2 sont protégées par un capuchon métallique P, propre à fondre dans le bain de métal après traversée de la couche de laitier qui surnage. Le corps tubulaire B est entouré extérieurement sur une partie de sa longueur par une enveloppe 6, généralement en sable de fonderie, dont il déborde par sa première extrémité 5 pour établir un contact avec le bain de métal en fusion et fermer un circuit raccorde à un organe de contact électrique ou borne 10 prévu sur un support en matière plastique 7. Ce support 7 est monté à l'extrémité du corps B éloignée de la première extrémité 5. Le support 7 comporte également des contacts (non visibles) reliés au circuit du thermocouple 2, de sorte que le support 7 constitue un connecteur pour la jonction à un circuit de mesure de la canne pyrométrique C. La connexion électrique s'effectue lorsque la tête de mesure T est assemblée mécaniquement à la canne C. Le corps tubulaire métallique B est réalisé en au moins deux parties, à savoir une partie contact bain 8 et une partie corps de sonde 9, ces deux parties étant séparées thermiquement l'une de l'autre. Les deux parties 8 et 9 sont constituées par deux tronçons de tube, en particulier en acier, et peuvent avoir un diamètre extérieur différent et un diamètre intérieur différent. Les extrémités de chaque tronçon 8, 9 sont situées dans des plans orthogonaux à l'axe A du corps tubulaire. Les extrémités en regard de la partie 8 et de la partie 9 sont écartées lune de l'autre et séparées par une zone j. La partie contact bain 8 a une longueur axiale inférieure à celle de la partie 9, en particulier inférieure au tiers de la longueur de la partie 9. Une liaison électrique L est assurée entre la surface extérieure de la partie contact bain 8 et la borne 10 du support 7, par au moins un fil conducteur 11, cette liaison électrique L étant située radialement à l'extérieur de la zone de séparation thermique j. La liaison électrique L est assurée également entre la surface extérieure de la partie 8 et la surface extérieure de la partie 9.Des points de soudure sont réalisés entre le fil 11 et les parties 8 et 9. Le fil de liaison électrique 11 est avantageusement un fil aplati, en particulier en acier, qui s'étend en continu jusqu'au support 7 et qui est recourbé vers l'intérieur du support 7, creux, selon une section (non visible sur le dessin)formant la section utile de la borne 10. Cette borne 10 est ainsi constituée par une partie du fil conducteur 11. De préférence, deux fils 11, sensiblement diamétralement opposés, sont prévus sur la tête de sonde T. Chaque fil de liaison électrique 11 s'étend sensiblement parallèlement à l'axe A du corps tubulaire depuis une zone 12, de la partie 8, située au voisinage de la zone de séparation j, jusqu'au support 7. Selon une première possibilité, illustrée sur la figure 1, la zone j entre les deux parties 8, 9 est comblée par le ciment réfractaire 4 situé à l'intérieur du corps B. La conductivité thermique du ciment réfractaire est nettement plus faible que celle de l'acier de sorte que la transmission de chaleur entre la partie 8 et la partie 9 se trouve considérablement freinée. Selon une autre possibilité illustrée sur les figures 2 et 3, la tête de sonde T comporte une pièce en céramique 13, de forme générale circulaire, présentant sensiblement à mi-longueur une collerette 14, en saillie radiale, propre à se loger dans la zone j comprise entre les parties 8 et 9. Le diamètre extérieur de la collerette 14 est égal à celui des parties 8 et 9, tandis que la longueur axiale de cette collerette 14 correspond à la longueur souhaitée pour la zone j. La pièce en céramique 13 présente deux tronçons cylindriques 15, 16, formant une seule pièce avec la collerette 14, en saillie axialement de part et d'autre de cette collerette. Le diamètre extérieur des tronçons 15 et 16 est égal au diamètre intérieur des parties 8 et 9 et permet d'assurer un centrage de l'ensemble. La pièce en céramique 13 comporte un passage central 17 circulaire dans lequel fait saillie une protubérance 18 de forme prismatique à section rectangulaire, de génératrices parallèles à l'axe de la collerette 14. Cette protubérance 18 comporte un logement cylindrique 19 débouchant à chaque extrémité, d'axe parallèle à celui de la collerette, et propre à recevoir la cellule électrochimique 1 qui déborde de part et d'autre de ce logement 19. Le thermocouple 3 est disposé avec ses branches parallèles à l'intérieur du passage 17, de part et d'autre de la protubérance 18. Pour le montage, après avoir mis en place le thermocouple 3 et la cellule 1 dans la pièce 13, et après avoir installé les parties 8 et 9 sur les tronçons 15 et 16, on remplit la tête de sonde avec le ciment réfractaire 4, comme illustré sur la figure 2. La collerette 14 constitue une barrière thermique entre les parties 8 et 9 car la conductivité thermique de la céramique est elle aussi nettement inférieure à celle de l'acier. Il est à noter que la pièce en céramique 13 facilite le montage de 1' ensemble et permet un positionnement précis des différents éléments. La pièce en céramique 13 permet d'assurer le maintien d'un écart supérieur à 1 mm, nécessaire pour un bon fonctionnement, entre le tube en quartz 3 du thermocouple et la cellule électrochimique 1. Selon une troisième possibilité, illustrée sur la figure 4, la zone j comprise entre les deux parties 8, 9 de corps tubulaire est comblée par le sable de fonderie 6 entourant extérieurement le corps B. La conductivité thermique du sable est aussi nettement inférieure à celle de l'acier des parties 8 et 9 de sorte qu'une bonne séparation thermique est assurée. Quelle que soit la réalisation adoptée, l'invention permet d'isoler thermiquement la partie corps de sonde 9 de la partie contact bain 8 pour réduire la transmission de chaleur vers la zone des jonctions froides du thermocouple 2 et la zone du support 7. REVENDICATIONS 1. Tête de sonde pour effectuer des mesures dans un bain de métal en fusion, en particulier une mesure d'activité d'oxygène et/ou une mesure de température, et destinée à être montée à l'extrémité d'une canne pyrométrique, cette tête de sonde comprenant des éléments de mesure, tels qu'une cellule électrochimique (1) et/ou un thermocouple (2), montés à l'intérieur d'un corps tubulaire métallique (B) rempli de ciment réfractaire (4), ou matière équivalente, enrobant en partie les éléments de mesure qui font saillie, suivant une direction parallèle à l'axe (A) du corps tubulaire, au-delà d'une première extrémité (5) de ce corps tubulaire destinée à être plongée dans le métal en fusion, le corps tubulaire (B) étant entouré sur une partie de sa longueur par une enveloppe (6), généralement en sable de fonderie, dont il déborde par sa première extrémité (5) pour etablir un contact avec le bain de métal et fermer un circuit raccordé à l'autre extrémité du corps tubulaire, munie d'un support (7) équipé d'organes de contact électrique, caractérisée par le fait que le corps tubulaire métallique (B) est réalisé en au moins deux parties (8, 9), à savoir une partie contact bain (8) et une partie corps de sonde (9), ces deux parties étant séparées thermiquement (j) l'une de l'autre, et qu'une liaison électrique (L) est assurée entre la surface extérieure de la partie contact bain (8) et une borne (10) située sur le support (7) par au moins un fil conducteur (11). 2. Tête de sonde selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu' une liaison électrique est assurée entre la surface extérieure des deux parties (8, 9) du corps tubulaire (B) par le ou les fils conducteurs (11), cette liaison électrique étant située radialement à l'extérieur de la zone de séparation thermique (j). 3. Tête de sonde selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le fil de liaison (11) entre les deux parties (8, 9) du corps tubulaire est un fil aplati,en particulier en acier. 4. Tête de sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le fil de liaison électrique (11) s'étend sensiblement parallèlement à l'axe du corps tubulaire (B) depuis une zone (12) de la partie contact bain (8) située au voisinage de la zone de séparation (j) des deux parties (8, 9) jusqu'au support (7) 5. Tête de sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les deux parties (8, 9) du corps tubulaire (B) ont même diamètre extérieur. 6. Tête de sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la partie contact bain (8) a une longueur axiale inférieure au tiers de la longueur de la partie corps de sonde (9). 7. Tête de sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la zone de séparation (j) entre les deux parties (8, 9) du corps tubulaire (B) est comblée par le ciment réfractaire (4) situé à l'intérieur du corps tubulaire (B). 8. Tête de sonde selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait quelle comporte une pièce en céramique (13) présentant sensiblement à mi-longueur une collerette (14) en saillie radiale propre à se loger dans la zone de séparation (j) comprise entre les deux parties de corps (8, 9), cette pièce en céramique (13) présentant deux tronçons cylindriques (15, 16) en saillie axialement de part et d'autre de la collerette (14) pour assurer un centrage des deux parties (8, 9) du corps tubulaire. 9. Tête de sonde selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la pièce en céramique (13) comporte un logement (19) d'axe parallèle à celui du corps tubulaire (B) pour recevoir la cellule électrochimique (1). 10. Tête de sonde selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la zone de séparation (j) comprise entre les deux parties (8, 9) de corps tubulaire est comblée par le sable de fonderie (6) entourant extérieurement le corps tubulaire (B).