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PERFECTIONNEMENTS AUX PYROMETRES.
La présente invention concerne les pyromètres.
Les pyromètres de types connus dont le fonctionnement est basé sur l'utilisation des radiations d'un corps chaud sont assujettis à diver- ses limitations et sources d'erreurs dues;, par exemple, aux variations du pouvoir émissif d'un corps à l'autre, aux variations du pouvoir émissif en fonction de la longueur d'onde, à l'utilisation des seules radiations visi- bles et à d'autres facteurs, de sorte qu'en général la gamme de températu- res dans laquelle le pyromètre peut être utilisé est limitée et que le pyro- mètre doit être étalonné suivant le type particulier de mesures auxquelles il est destiné et/ou selon les conditions particulières dans lesquelles il doit être utilisé.
La présente invention a pour objet un pyromètre qui permet l'é- limination de la plupart de ces limitations et erreurs.
L'invention a en outre pour but d'obtenir un pyromètre d9appli- cation pratiquement universelle et pouvant être utilisé dans une large gamme de températures.
Suivant la loi de Planck (théorie des quanta), l'énergie émise par un corps chaud dans la région de longueurs d'onde comprise entre 0 et 1 est donnée par :
EMI1.1
0 é /1 = Cl T e mC 1, 1 et des termes supérieurs C2 t ,\13 où C1 et C2 sont des constantes et T la température absolue, eC2/@ 1T étant supérieurl'unit'
Si, dans ces conditions, on considère l'énergie émise dans deux régions de longueur d'onde comprises entre 0 et @1, d'une part, et 0 et @2
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d'autre part, le rapport entre les deux intensités sera de la forme :
EMI2.1
On peut écrire ce rapport sous la forme :
EMI2.2
Il ressort clairement de ces formules que ce rapport est une fonction exponentielle de la température.
On comprendra que les résultats ci-dessus contiennent certaines approximations, mais il peut être démontré que ces approximations sont justifiées et n'affectent pas sérieusement l'em- ploi de ce rapport comme mesure de la température.
Suivant une caractéristique de l'invention, le pyromètre compor- te des moyens permettant la-mesure d'une parcelle d'énergie prélevée sur l'énergie rayonnée par un corps dans une première gamme de longueur d'onde comprise entre un minimum prédéterminé et une première limite supérieure, des moyens pour mesurer une autre parcelle de ladite énergie dans'une seconde gamme de longueur d'onde comprise entre le même minimum et une limite supé- rieure différente et des moyens pour calculer le rapport des deux mesures ainsi effectuées de manière à obtenir une indication de la température dudit corps.
Suivant un mode de réalisation, le pyromètre suivant l'invention comporte une structure permettant de mesurer séparément des prélèvements des radiations d'un corps chaud dans les deux bandes de longueur d'onde sélec- tées et de déterminer leur rapport et de l'exprimer en unités de températu- re. Pour réaliser ces opérations d'une manière efficace, il est évident que les deux mesures doivent être effectuées avec des prélèvements des radia- tions du corps chaud absolument comparables. Ceci peut être obtenu en utili- sant un système optique fixe agencé de manière à pouvoir recevoir des ra- diations du corps chaud et à les concentrer sur un détecteur sensible tel qu'une cellule photo-résistante ayant un spectre de sensibilité convenable, ou encore une pile thermo-électrique.
Deux mesures successives sont alors effectuées, la première avec interposition d'un filtre, ce qui limite les radiations incidentes sur le détecteur à des longueurs d'onde d'une bande comprise, par exemple, entre 0 et @1, la seconde, en utilisant le spectre de sensibilité du dispositif détecteur lui-même ou encore un filtre convena- ble pour limiter les radiations admises dans le détecteur dans une bande de.longueur d'onde comprise entre 0 et \2.
Le rapport des deux mesures ainsi effectuées peut être lu en unités de température sur un abaque d'étalonnage.
Suivant une variante préférée, on effectue une première mesure en interposant un filtre et en utilisant des radiations comprises dans la bande de 0 à @1 comme précédemment, la seconde mesure, effectuée sans interposition du filtre et dans la bande de 0 à @2, étant contrôlée au moyen d'un diaphragme, par exemple à iris, prévu à cet effet dans le système opti- que et qu'on règle de manière à obtenir un signal de mesure égal à celui qu'on obtiendrait en l'absence du filtre précité. Le.rapport cherché est alors égal au rapport entre les deux ouvertures du diaphragme assurant l'ob- tention de signaux de sortie égaux. Le dispositif de commande du diaphragme peut donc été gradué directement en unités de température.
On peut consi- dérer ce procédé comme une méthode de zéro éliminant automatiquement les rreurs qui surgiraient si l'on effectuait des mesures séparées de l'inten- erre des radiations dans les deux conditions ci-dessus définies.
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En conséquence, l'invention prévoit, suivant une autre de ses ca- ractéristiques, un pyromètre comportant des moyens permettant de diriger les radiations émises par un corps suivant deux trajectoires distinctes vers un détecteur, des moyens interposés sur au moins l'une desdites trajectoires, pour limiter la bande de longueur d'onde dans laquelle cette trajectoire assure la transmission des radiations, des moyens de faire varier le rapport entre les intensités totales transmises suivant les trajectoires respecti- ves, des moyens de rendre chacune de ces trajectoires active alternativement et des moyens de comparer les signaux produits dans ledit détecteur par les radiations parvenant à celui-ci suivant les trajectoires respectives préci- tees.
Avec un tel dispositif, le réglage du rapport entre les intensités to- tales transmises par les trajectoires respectives, effectué de telle manière qu'on obtienne des signaux égaux, donne directement une mesure de la tempé- ratureo On peut effectuer la comparaison des deux signaux, par exemple, en les retranchant l'un de l'autre, l'égalité desdits signaux étant alors indi- quée par l'obtention d'une différence nulle et par conséquent d'une indica- tion "O", par exemple sur un-galvanomètre de tension ou d'intensité. Ce dis- positif offre tous les avantages des méthodes de mesure dites "de zéro" et permet en outre des opérations simples et rapides.
On utilise,de préférence, comme détecteur, dans le dispositif suivant l'invention une cellule photo-résistante, par exemple au sulfure de plomb. Pour permettre une amplification de l'énergie de sortie d'un tel dé- tecteur, suffisante pour assurer la commande d'un appareil de mesure appro- prié, on peut "découper" les radiations incidentes à une fréquence convena- ble au moyen d'un disque obturateur tournant.
Le choix de la matière du filtre est déterminé en fonction des gammes de température dans lesquelles on désire effectuer les mesures. On'a constaté que, lorsqu'on utilise une cellule photo-résistante au sulfure de plomb, on peut employer comme matière de filtrage de l'acétate de cellulo- se ou encore la matière désignée sous le nom de "Perspex" déposée comme marque de fabrique. Pour obtenir des rapports de mesure, avec et sans inter- position d'un filtre, dans la gamme de réglage de l'ouverture du diaphrag- me, on peut utiliser des filtres neutres servant à réduire le pourcentage des radiations incidentes admises dans le détecteur.
Dans un exemple de réalisa- tion pratique particulière, on a utilisé deux filtres de ce type sous forme de toile métallique dont l'un laissait passer environ 50% des radiations in- cidentes et l'autre environ 15% desdites radiations. Des températures com- prises dans les gammes indiquées ci-après ont été me.surées avec succès en utilisant des filtres des quatre types précitéso Pour les températures jus- qu'à 550 C, on a utilisé un filtre neutre laissant passer 50% des radia- tions pour la mesure dans la gamme de 0 à @1 et un filtre à l'acétate de cellulose d'une épaisseur d'environ 2,35 cm (3/32 de pouce) pour la mesure dans la gamme de 0 à @2. Pour les températures comprises entre 550 C et 1200 C,
les mesures ont été effectuées respectivement avec un filtre neutre transmettant 15% des radiations et un filtre en "Perspex" d'un cm d'épaisseur.
Le choix de la matière du filtre dépend de-la gamme de température à mesurer et l'on pourrait choisir un grand nombre d'autres matières, celles indiquées ci-dessus n'étant données qu'à titre d'exemples.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui.suit et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à ti- tre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation d'un pyromètre sui- vant l'invention, susceptible de donner des mesures précises et rapides et ceci sans qu'il soit nécessaire d'effectuer deux opérations de mesure distinc- tes.
Sur ces dessins
La Fig. 1 est un plan schématique d'un tel pyromètre.
La Fig. 2 est une vue en élévation schématique du même appareil.
La Fig. 3 représente un détail de l'appareil des Figs. 1 et 2.
La Fig. 4 représente un autre détail du même appareil.
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La Fig. 5 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'un pyromètre suivant l'invention.
Sur ces figures, on peut voir que l'appareil suivant l'invention comporte un boîtier -opaque 1 à l'avant duquel est monté un système optique 2 comprenant une lentille de préférence ajustable axialement pour permettre la mise au point et derrière laquelle est disposé un coin optique à miroirs diviseur de faisceau 3 qui divise le faisceau incident en deux faisceaux dirigés vers l'extérieur. Deux autres miroirs 4 et 5 sont disposés de ma- nière à réfléchir les faisceaux dirigés vers l'extérieur précités vers un écran en verre dépoli 6 prévu sur la paroi arrière du boîtier et servant d'écran d'observation au moyen duquel on peut effectuer la mise au point du pyromètre sur un corps, ou sur un point d'un corps, dont on désire déterminer la température.
Sur les trajectoires des deux faisceaux, après leur réfle- xion par les miroirs 4 et 5, est interposé un autre miroir 7 porté par une tige de support 8 qui traverse la paroi latérale du boîtier et se termine par une tête 9 au moyen de laquelle le miroir 7 peut être retiré du boîtier pour permettre la mise au point précitée. Lorsqu'il est en place, le miroir 7 ren- voie les deux faisceaux vers l'avant sur un détecteur constitué de préféren- ce, comme décrit ci-dessus, par une cellule au sulfure de plomb 10, les deux faisceaux traversant un obturateur tournant constitué par la périphérie d'un disque 11 monté sur l'arbre d'un moteur d'entraînement 12. Le disque obtura- teur 11 est représenté en élévation vue de l'arrière sur la Fig. 3.
On peut voir que le disque 11 présente un bord crénelé dont les dents s'étendent sur des arcs égaux à ceux qui séparent les dents adjacentes. La longueur de l'arc d'une dent est choisie de telle manière qu'elle soit égale à l'espacement entre les deux demi-faisceaux au point d'obturation, de sorte que, lorsque le disque tourne, les deux demi-faisceaux sont alternativement "découpés" ou,' en d'autres termes, les signaux produits dans la cellule au sulfure de plomb 10, par les deux demi-faisceaux, sont en opposition de phase.
Un disque 13 est monté de manière à pouvoir¯tourner derrière la paroi avant du boitier 1 et ce disque peut être entraîné en rotation au moyen d'un bouton de commande 14 permettant de mettre en position devant les ou- vertures 15 et 16 de la paroi avant du boitier, à travers lesquelles pas- sent les deux demi-faisceaux après leur réflexion par les miroirs 4 et 5, u- ne paire de filtres quelconque sélectée dans un ensemble de six filtres mon- tés sur le disque 13 et représentés sur la Fig. 3 en 17a, 17b --- 17f. Les filtres 17b et 17c constituent une première paire, les filtres 17d et 17e u- ne autre paire, les filtres 17f et 17a une troisième paire.
Chaque paire de filtres comprend un filtre couvrant la bande de longueur d'onde de 0 à @1 et un second filtre couvrant la bande de 0 à @2 et convient pour les mesures effectuées dans une gamme de température donnée. Par exemple, les trois pai- res de filtres mentionnées ci-dessus peuvent être utilisées pour les trois gammes de température de 200 à 550, de 550 à 1200 et de 800 à 1700 C.
A Levant de la lentille du système optique 2 est prévu un dia- phragme représenté de façon détaillée sur la Fig. 4 et indiqué, sur la Fig.
2, par la référence générale 18. Comme on peut le voir sur la Fig. 4, le dia- phragme comporte 4 secteurs de 90 à savoir un secteur supérieur et un secteur inférieur obscurcis en permanence, les.deux secteurs clairs laissant passer deux faisceaux destinés à devenir les deux demi-faisceaux précités.
L'un des secteurs clairs peut être voilé dans une mesure variable au moyen d'un volet mobile 19 commandé par un levier 20 qui s'étend vers le haut de telle manière que son extrémité se déplace le long d'un secteur gradué 21, sur lequel on peut lire la position angulaire du levier 20.
La cellule photo-résistante est connectée à un amplificateur convenable, non représenté, mais dont l'un des tubes est indiqué en trait mixte sur les Figs. 1 et 2, en 22. L'énergie de sortie dudit amplificateur est redressée dans un dispositif redresseur-discriminateur de phase, tel que décrit par exemple dans .
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L'énergie ainsi redressée est ensuite appliquée à un appareil de mesure à zéro central 23 monté à l'extérieur du boitier 1.
Le fonctionnement de l'appareil est le suivant
La gamme de température dans laquelle on désire effectuer une mesure étant connue, on fait tourner le bouton 14 pour amener la paire de filtres 17 appropriée à sa position de travail sur les ouvertures 15 et 16, on retire le miroir 7 du boitier et on vise le corps dont on désire mesurer la température avec l'appareil en effectuant une mise au point sur la zone intéressante diaprés l'image observée sur l'écran de verre dépoli 6 (en sup- posant que le corps émette des radiations visibles), on remet alors en posi- tion le miroir 7 et on met en rotation le disque obturateur 11;
une énergie de sortie est alors enregistrée sur l'appareil 23 et on déplace le levier 20 jusqu'à ce que cette énergie soit réduite à 0, ce qui indique que l'énergie de sortie obtenue de la cellule photo-résistante 10 est la même pour chaque demi-faisceau qui vient frapper cette cellule ou, en d'autres termes, que le rapport entre les deux ouvertures des secteurs du diaphragme 18 a été ame- né à la valeur appropriée, de sorte que la position du levier 20 sur l'é- chelle graduée 21 indique la température que l'on désire mesurer, laquelle peut alors être lue directement sur cette échelle.
La Fig. 5 représente un autre mode de réalisation du pyromètre suivant l'invention qui constitue un perfectionnement du mode de réalisatim décrit à propos des Figs. 1 à 4.
Sur la Fige 5 les éléments correspondant à ceux des figures pré- cédentes ont été désignés par les mêmes chiffres de référence. Dans le dis- positif de la Fig. 5, le disque-obturateur 11 est représenté plus voisin de l'arrière de l'appareil et, dans cet exemple, sa face avant est argentée ou polie de sorte qu'il assure lui-même la réflexion des rayons incidents, vers l'avant, sur la cellule au sulfure de plomb 10. Il en résulte que.le miroir 7 du dispositif précédemment décrit devient inutile. Le profil du disque 11 est, bien entendu, tel que l'un seulement des deux rayons incidents soit réfléchi à la fois, de sorte qu'à un instant donné, l'un seulement des deux faisceaux traverse le boitier pour parvenir sur l'écran 6 de sa paroi ar- rière.
Cette disposition offre, par suite, un autre avantage, résidant en ce qu'une image du corps chaud dont la température est soumise aux mesures est présente à tout moment sur l'écran 6 (en supposant bien entendu l'existence de radiations visibles)o
Sur la Fig. 5 ,on a également représenté, sous une forme sché- matique, des moyens permettant de rendre le pyromètre auto-réglable et d'en- registrer, de façon continue, la température mesurée par l'appareil. Dans le dispositif représenté, l'énergie de sortie de la cellule 10 est appli- quée à un amplificateur 30 et, de là, à un dispositif redresseur-discrimi- nateur de phase 31 qui fournit une énergie de sortie positive ou négative selon le sens de l'inégalité entre les deux trains de signaux produits par les deux faisceaux rayonnants.
Cette énergie de sortie est appliquée à un appareil de mesure à zéro central 32 à des fins de contrôle ainsi qu'à un autre amplificateur 33 dont l'énergie de sortie actionne un servo-moteur 34 dans un sens ou dans l'autre selon le signe du signal d'erreur. Le moteur 34 entraine, par l'intermédiaire d'une roue dentée appropriée 35, une cou- ronne dentée 36 solidaire en rotation de l'obturateur 19 (Voir Fig. 4), l'a- gencement étant tel que le sens dans lequel l'obturateur est entrainé soit déterminé par le sens du signal d'erreur détecté par le dispositif redresseur- discriminateur de phase 31 et ceci de telle manière que ledit signal d'er- reur tende à être réduit.
Lorsque le dispositif est convenablement réglé, le signal d'erreur indiqué sur l'appareil de mesure 32 peut être maintenu sensiblement nul.
La position de l'obturateur 19 représente à tout moment la tempé- rature à mesurer. En conséquence, on reproduit les mouvements de cet obtu- rateur par l'intermédiaire d'une roue dentée 37, solidaire de l'arbre 38 du servo-moteur, dudit arbre lui-même, de la boite d'engrenages de renvoi d'angle 39, de l'arbre 40 et de la boite d'engrenages de renvoi d'angle 41,
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sous la forme de mouvements asservis d'un style enregistreur 42 qui se dé- place sur le tambour d'enregistrement 43 qui peut être entraîné en rotation d'une manière connue quelconque, au moyen d'un mouvement d'horlogerie appro- prié de type connu.
Bien entendu, si on le désire, on peut selon une variante, utili- ser le signal de sortie de l'amplificateur 33 pour effectuer le contrôle de la température mesurée, de sorte que le dispositif fonctionne alors en thermostat.
Les dispositions décrites en détail et à titre d'exemple sur les figures impliquent un certain nombre de mises au point de détail, évidentes pour l'homme de l'art . Il est en outre évident qu'un grand nombre de types de pyromètres différents peuvent être construits sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Par exemple, on peut modifier le dispositif optique parti- culier décrit ci-dessus d'un certain nombre de manières différentes. Ainsi, dans certains cas, il peut être préférable d'utiliser des ouvertures distinc- tes et des systèmes optiques séparés pour les deux demi-faisceaux. Avec une telle disposition, il serait bien entendu désirable de prévoir un réglage d'un tel système optique double au moyen duquel on pourrait faire converger les deux lentilles sur un point d'intérêt commun.
Le pyromètre suivant l'invention offre sur les pyromètres connus de nombreux avantages dont les plus importants sont les suivants : - a) Le principe sur lequel est basée l'invention et d'après lequel on effectue la comparaison de deux rapports élimine toute erreur due à la différence de pouvoirs émissifs absolus des corps à examiner.
Etant donné que, par ailleurs, le pouvoir emissif est fonction de la température, une source de confusion et d'insécurité considérable est ainsi éliminée. b) On peut construire un pyromètre suivant l'invention pour me- surer des températures descendant au moins jusqu'à 200 C c'est-à-dire nette- ment au-dessous de la limite inférieure d'utilisation de certains autres ty- pes de pyromètre tel que ceux qui n'utilisent pas de cellule photo-résistan- te ou détecteur analogue, sensible dans des régions de longueur d'onde plus étendues comprenant les rayons.infra-rouges. c) Un pyromètre suivant l'invention est moins susceptible d'er- reurs dues aux conditions atmosphériques que les types de pyromètres connus.
d) Les mesures effectuées avec un pyromètre suivant l'invention sont indépendantes des dimensions de la source ainsi que de son éloignement.
Il n'est donc pas nécessaire d'étalonner le pyromètre in situ. e) Si la loi suivant laquelle l'obturateur ou le diaphragme com- mande le rapport entre les intensités des radiations incidentes est adaptée à la loi exprimant ce rapport en fonction de la température, la mesure peut être effectuée sur une graduation linéaire. f) En utilisant un procédé de zéro comme dans certains des exem- ples du pyromètre suivant l'invention, mentionnés et décrits ci-dessus, on élimine toute erreur due à une détérioration ou à un défaut de fonctionne- ment des organes électriques.
g) En rendant stroboscopique le fonctionnement du pyromètre, il devient possible de mesurer la température d'un organe se déplaçant de façon cyclique tel que, par exemple, un point particulier de la périphérie d'une roue tournante, à condition qu'il soit possible de synchroniser "l'exposi- tion" du pyromètre avec les déplacements cycliques de l'organe en question.
Selon une variante, sans qu'il soit nécessaire de rendre le fonctionnement stroboscopique, il est possible de mesurer la température d'un organe aux radiations duquel le pyromètre est exposé par intermittence, à condition que les expositions intermittentes aient une durée longue par rapport à la fréquence de "découpage" à laquelle les faisceaux de radiations incidentes sont interrompues.
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h) Un pyromètre suivant l'invention peut être agencé de telle ma- nière qu'il fonctionne sur une zone d'observation très petite, de sorte qu'il est possible d'étudier la distribution des températures entre les différentes zones d'une surface. i) Il est possible, toujours en rendant stroboscopique le fonction- nement du dispositif, d'examiner un point déterminé d'un cycle de température récurrent.
Le choix du détecteur dépend des filtres utilisés et'des gammes de température à la mesure desquelles est destiné le pyromètre considéré.
Une cellule photo-résistante constitue en général le détecteur le plus satisfaisant, en raison de la vitesse de fonctionnement qu'elle per- met d'obtenir et en raison des caractéristiques de réponse spectrale parti- culièrement favorables de ce type de détecteur de radiations.