Appareil de réception et de mesure d'une énergie rayonnée.
On utilise déjà, pour la mesure de l'énergie thermique, des piles ou couples thermoélectriques utilisant la propriété bien connue de transformer en énergie électrique l'énergie thermique qui frappe la soudure entre deux métaux ou alliages différents. I1 est connu également de disposer en parallèle ou en série plusieurs soudures et de les placer alternativement sur l'une puis sur l'autre face de l'appareil, de telle sorte que cet appareil donne des indications en fonction de la différence de température entre ses deux faces.
Les appareils de ce type actuellement connus ont une sensibilité qui est limitée, car le nombre de soudures actives est réduit, en raison de la construction même de ces appareils.
En outre, ces appareils connus sont instables, car les moindres variations de la température ambiante entre les deux faces de l'appareil, dues par exemple aux simples cou- rants d'air, provoquent des oscillations de l'aiguille ou autre organe du galvanomètre ou autre dispositif indicateur combiné avec la pile thermo-électrique; en d'autres termes, la stabilité du zéro de l'appareil n'est pas assurée.
La présente invention a pour objet un appareil de réception et de mesure d'une énergie rayonnée qui permet la mesure absolue d'une énergie thermique même faible et la comparaison très précise entre deux énergies thermiques, cette ou ces énergies thermiques pouvant soit hêtre des énergies radiantes, soit provenir d'autres énergies, électriques par exemple, transformées en énergies thermiques.
L'appareil suivant l'invention est remarquable en ce qu'il comporte, d'une part, un corps d'absorpition des radiations, formant corps noir, et présentant au moins une surface d'absorption formée d'une succession de cavités étroites et profondes dont les parois réfléchissantes convergent vers le fond de la cavité et qui sont séparées par des arêtes fines, le rapport de l'ouverture à la profondeur de ces cavités étant tel que le rayon nement incident est complètement absorbé, et, d'autre part, des thermocouples dont certaines soudures sont influencées par le rayonnement absorbé par ladite surface d'absorption.
Pour la comparaison entre deux énergies rayonnées, l'appareil comporte deux desdites surfaces d'absorption situées sur deux faces opposées du corps d'absorption, certaines soudures des thermocouples étant influencées par le rayonnement reçu par l'une des surfaces et les autres étant influencées par le rayonnement absorbé par l'autre surface.
Le corps d'absorption de l'appareil peut comporter avantageusement une masse importante bonne conductrice de la chaleur destinée à dissiper très rapidement l'énergie thermique absorbée, de telle sorte qu'il n'y a pas accumulation de chaleur et que l'appareil indique pratiquement l'énergie instantanée reçue avec ses variations, l'aiguille restant immobile et stable si l'énergie reçue est constante.
Cette stabilité peut encore être augmentée en logeant le corps d'absorption dans une masse métallique importante bonne conductrice de la chaleur, les deux groupes de soudure étant disposés symétriquement par rapport au plan médian de cette masse métallique. Grâce à cette disposition, les éléments actifs sont influencés dans une même mesure par les conditions extérieures et sont portés et maintenus sur toute leur longueur, jusqu'aux deux groupes de soudures compris, à la température ambiante et les variations de cette température agissent symétriquement sur les deux faces du dispositif, de telle sorte qu'elles sont sans influence sur le zéro de l'appareil.
Suivant un mode d'exécution particulier de l'invention, l'appareil est formé par nn empilage de lamelles métalliques réfléchis santes, bi-elméiformes ! entre lesquelles sont disposés les thermocouples.
Selon un autre mode d'exécution, le corps d'absorption est formé par une série de thermocouples formant une bande pliée en zigzag de telle sorte que les soudures des thermocouples se trouvent aux sommets du zigzag.
Grâce à ces constructions, le nombre de soudures sur chaque face du dispositif récepteur est considérablement augmenté par unité de surface (par exemple pour une surface de un centimètre carré, le nombre de soudures peut dépasser plusieurs centaines alors qu'avec les appareils usuels le nombre de soudures ne dépasse pas quelques dizaines).
Cet avantage combiné avec l'utilisation de corps noirs absolus confère à l'appareil une très grande sensibilité, puisque toute l'énergie radiante e est captée, et pour une même masse de thermopile les forces thermoélectriques produites sont proportionnelles au nombre de soudures actives.
En donnant des dimensions convenables et correctes aux éléments de l'appareil, il existe une proportionalité qui subsiste entre des limites très étendues entre l'intensité du rayonnement incident et la différence de tem pérature qui s'établit entre les soudures chaudes et froides.
L'intensité de l'énergie rayonnée incidente peut être mesurée en unités absolues en comparant la différence de température produite par le rayonnement à oelle qui résulte d'un chauffage électrique: de préférence on détermine une fois pour toutes, au moyen d'une source de rayonnement, le rapport entre l'effet de rayonnement et celui du courant c;lec- trique de cliauffage.
Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple :
La fig. 1 est une vue schématique en perspective, partielle, d'un mode de réalisation comportant un empilage de lamelles de see- tion bi-cunéiforme formant corps noir;
La fig. 2 est une vue de face, très schématique, de l'ensemble d'un appareil comportant un empilage du type représenté à la fig. 1;
la fig. 2a est une coupe suivant la ligne 9a ¯2a de la fig. 2;
da fig. 3 est une vue, en perspective, partielle, d'un autre mode de réalisation dans lequel les couples thermo-électriques forment des rubans pliés en zigzag et constituent de par eux-mêmes le corps noir;
la fig. 4 est une coupe transversale, suivaut la ligne 4-4 de la fig. 5, d'un appareil comportant un empilage du type représenté à la fig. 3;
la fig. 5 est une vue de face correspondante avec arrachements partiels;
la fig. 6 est une coupe et une vue de profil analogue à celle de la fig. 4, mais du côté opposé;
la fig. 7 est une coupe partielle transversale, suivant la. ligne 7-7 de la fig. 5, mais à plus grande échelle;
la fig. 8 est une vue Ide l'empilage des
couples thermo-électriques, avant mise en place des résistances électriques de chauffage,
à la même échelle que la fig. 7;
la fig. 9 est une vue de profil correspon d ante;
la fig. 10 est une vue de face, développée
de l'un des rubans destinés à être pliés en zigzag;
la fig. 11 en est une coupe longitudinale,
suivant la ligne 11-11 de la fig. 10.
Suivant l'exemple d'exécution représenté
à la fig. 1, l'appareil de réception et de me
sure d'une énergie rayonnée est formé d'un
certain nombre de lamelles réfléchissantes 1
de préférence en un métal résistant à l'action de l'air et de l'humidité, par exemple du platine ou de l'acier au nickel inoxydable.
Ces lamelles 1 comportent une partie cen- trale à faces parallèles et prolongée par des portions supérieure et inférieure de forme cunéiforme, terminées par une arête extrêmement vive 2 a.fin que la réflexion sur cette arête puisse être pratiquement négligée. Ces lamelles ménagent donc entre elles des cavités ou fentes 3, 4 très étroites et très profondes. Par suite de la grande profondeur qu'ont ces fentes par rapport à leur largeur, l'inclinaison des faces des fentes est telle que tout faisceau arrivant de l'extérieur et frappant l'une des faces de l'une quelconque des fentes est renvoyé en totalité vers le fond de ladite fente éventuellement après avoir été réfléchi alternativement par les deux faces de cette fente.
Il convient de faire remarquer que dans la réalité ces cavités ou fentes sont beaucoup plus profondes et étroites que ne l'indique le dessin. Pour que l'absorption des radiations soit totale, la distance qui sé pare les arêtes 2 des lamelles 1 sera par exemple d'environ 0,1 mm, tandis que la profondeur de la fente aura de 2 à .3 nan et pourra atteindre 5 a' 10 mm et même davantage.
Entre les lamelles 1 et convenablement isolés d'elles électriquement par de l'isolant 5 sont situés les thermocouples. Ils sont formés d'éléments filiformes 6, 7 disposés en zigzag et réunis par des soudures 8, 9 qui se trouvent alternativement dans les fentes 3 et 4 des deux faces opposées de l'appareil.
Les éléments 6, 7 sont alternativement en deux métaux ou alliages différents, par exemple en manganine et en constantan. Les fils doivent être choisis très fins.
Les thermocouples situés entre les différentes lamelles 1 sont reliés en série comme représenté ou en parallèle par des con flexions 10.
Les lamelles 1 forment une masse métallique importante qui dissipe très rapidement l'énergie reçue dès qu'elle a influencé les thermocouples.
Pour pouvoir effectuer une mesure absolue du rayonnement, il est prévu des moyens de chauffage électrique. Ces moyens consistent en 'deux dispositifs de chauffage 14 et 15 (Fig. 1) indépendants, logés dans les fentes 3 et/ou 4 du récepteur de rayonnement.
En chauffant électriquement le fil chauffant 14, on peut faire naître un effet calorifique égal à celui qui est provoqué par le rayonnement et mesurer ainsi l'intensité du rayonnement en unités électriques. IJn autre moyen possible consiste à faire fonctionner le dispositif de chauffage 15 pendant que le rayon nement vient frapper l'instrument par son autre face de façon qu'il n'existe aucune dif férence de température entre les soudures supérieures et inférieures.
L'ensemble du dispositif décrit est logé dans une masse métallique importante, bonne conductrice de la chaleur, en cuivre par exemple. Cette masse est formée par exemple par une plaque circulaire 17 comportant sur ses deux faces deux rebords périphériques 1 7a et pourvue d'une ouverture centrale 16 dans laquelle se trouve la partie centrale des lamelles 1. Les faces de la plaque 17 recoi- vent deux couvercles 18 percés de trous 19 en regard des trous 16.
Ces couvercles forment deux logements 17b destinés à recevoir, d'une part, des plots 20 et 21, reliés aux deux extrémités de l'ensemble des fils en série 6, 7, et, d'autre part, un plot 22 commun aux deux fils de chauffage 14, 15 et deux plots 23 et 24, reliés chacun à l'autre extrémité de l'un desdits fils 14, 15. La pièce 17 est prolongée, par exemple, par une colonne 25, dans laquelle sont logés des conducteurs 26, 27, 28, 29, 30, reliés respectivement aux plots 20, 21, 22, 23, 24 qui sont isolés du corps 17. Le conducteur 26 est relié à une borne 31 à travers un interrupteur 32. Le conducteur 27 est relié directement à une deuxième borne 33.
Le conducteur commun 28 aboutit de même à une borne 34, tandis que l'un ou l'autre des conducteurs 29 et 30 peut être relié par un interrupteur 35 à une quatrième borne 36.
Entre les bornes 31 et 33, on recueille la tension électrique, donnée par les couples thermo-eleetriques. Entre les bornes 34 et 36, on applique la tension électrique de chauffage que l'interrupteur 35 permet de diriger vers l'un ou l'autre des fils 14, 15.
Le dispositif décrit absorbe environ 99 % du rasronnement incident. Si, dans un instrument de précision, on désire réaliscr une absorption sensiblement plus forte, on peut y arriver en faisant tourner l'instrument de 90 par rapport à la direction de l'incidence du rayonnement et en disposant de très près des tranches des lamelles en haut et en bas une surface métallique réfléchissante légèrement inclinée. Les rayons qui arrivent directement sur cette surface légèrement inclinée sont réfléchis par elle dans les fentes s qui séparent les lamelles. On augmente ainsi sensiblement le volume de l'espace qui joue le rôle du corps noir absolu.
Aux fig. 3 à 11, on a représenté une variante suivant laquelle les couples thermoélectriques et le récepteur de rayonnement sont intimement liés. Les couples thermoélectriques sont formés à l'aide de lamelles 37, 38 alternativement en deux métaux ou alliages différents, réunies par des soudures 39, 40 de manière à former un ruban (Fig. 10, 11). Sur chaque lamelle, dans sa partie médiane et sur chacune de ses faces est fixée par soudure ou autrement une plaquette métallique 41 ou 42, bonne conductrice de la chaleur et de l'électricité. L'ensemble ainsi obtenu est plié en zigzag, comme représente à la fig. 3, notamment de manière que les plaquettes 41 viennent chacune au droit de la plaquette 42 de la lamelle suivante.
Entre les plaquettes des plis successifs sont interposés des lames métalliques ou autres minces 43, 44 à surface réfléchissantes isolées chacune des plaquettes adjacentes à l'aide de deux couches d'isolant 45 et 46.
Comme on le voit, les lamelles 37, 38 forment, dans ce mode d'exécution, les saillies cunéiformes ou analogues et les lamelles 43, 44 viennent diviser les fentes en deux demifentes dont la largeur se trouve ainsi encore réduite par rapport à la profondeur, ce qui augmente les possibilités d'absorption de l'énergie rayonnée et permet d'obtenir un corps noir rigoureusement parfait.
De même que dans l'exemple des fig. 1, 2 et 2a, la distance séparant deux arêtes successives 39 ou deux arêtes successives 40 sera par exemple d'environ 0,1 mm, tandis que la profondeur de la fente sera de 2 à ä mm et pourra atteindre 5 à 10 mm et même davantage.
Par ailleurs, les plaquettes 41, 42 forment une masse métallique importante et, en outre, grâce à leur résistance électrique très réduite, elles réduisent considérablement la résistance des rubans constituant les couples thermo-électriques.
Pour constituer l'appareil, on juxtapose plusieurs ensembles E1, E2, ES (fig. 3) de ce type en interposant entre eux des lamelles isolantes 47 (fig. 5).
En outre, les fils de chauffage électrique de l'exemple précédent sont remplacés par deux rubans résistants 48, 49 logés avec isolement électrique dans les intervalles entre les blocs Et, E2, E3 thermo-électriques.
Cet ensemble est logé (fig. 4, 5, 6) avec interposition d'isolant électrique dans un cadre métallique 50 encastré dans une ouverture 16 du fond d'un boîtier 17 et dans l'ouverture centrale 19 d'un couvercle 18, fixé par vis ou autrement sur le boîtier 50 qui est en une matière aussi bonne conductrice de la chaleur que possible par exemple en cuivre.
Ce boîtier est prolongé par exemple par une colonne 25 comme dans l'exemple de la fig. 2.
Les différents zigzag du ruban conducteur sur lequel sont disposées en série et alternées les soudures 39 et 40 sont reliés eux-mêmes par exemple en série, comme représenté en 51 et 52 (fig. 8, 9). Les deux extrémités de l'ensemble se terminent par exemple par deux paillettes. à souder 53 et 54 (fig. 4, 5, 8, 9) tenant lieu des bornes 20 et 21 de l'exemple de la fig. 2. Sur ces paillettes qui émergent du cadre 50 à travers une ouverture 55 sont soudés les conducteurs 26, 27 aux bornes 31, 33 (fig. 2) d'un socle desquelles partent les connexions non représentées aboutissant à l'appareil de lecture et/ou d'enregistrement, appareil qui peut être bien entendu d'un type quelconque.
Les rubans résistants s 48 et 49 sont reliés à une paillette commune 56, tandis que leurs autres extrémités sont reliées à deux autres paillettes 57, 58. La paillette 56 (fig. 4, 5) fait saillie dans l'ouverture 55 du cadre 40 et sur elle est fixé le conducteur commun 28.
Quant aux paillettes 57, 58, elles font saillie dans des échancrures 59, 60 (fig. 5, 6) du cadre 50 et sur elles sont fixés les conducteurs 29 30 que l'interrupteur 35 (fig. 5) permet de relier à l'un des pôles d'une pile tu autre source électrique dont l'autre pôle st relié au conducteur permettant ainsi de chauffer électriquement l'un ou l'autre des rubans 48, 49 qui échauffe a] ors les soudures corespondantes 39 ou 40 créant ainsi une dif ference de température entre les deux groupes de soudures, donc une tension électrique dans chaque couple et, par suite, aux paillettes 53, 54, une tension qui est la somme des tensions élémentaires.
Dans les deux exemples décrits, avant utilisation de l'appareil, il est indispensable d'effectuer un réglage consistant dans le réglage du zéro du dispositif indicateur ou enregistreur. Pour cela, on soumet les deux fils 14, 15 ou rubans 48, 49 de même résistance, rigoureusement mesurée, à une même tension électrique ; ces rubans chauffent donc les soudures et on modifie éventuellement la position exacte de ces fils ou rubans résistants et/ou leur section (ce qui est facile dans le cas de rubans) jusqu'à ce que l'aiguille ou autre organe du dispositif indicateur ou enregistreur reste au zéro.
L'appareil étant ainsi réglé au zéro, il y reste, quelle que soit la température ambiante, car la masse du corps 17 et Idu cadre 50 (dans le deuxième exemple), bons conducteurs de la chaleur, assure une répartition immédiate par parts égales sur les deux groupes de soudures de l'action due à toute variation de température.
Dans ces conditions, on conçoit que si l'une des faces de l'appareil est soumise à un faisceau de radiations thermiques, cellesci sont absorbées par les fentes correspondantes formant corps noir et il en résulte entre les deux groupes de soudures un déséquilibre donnant naissance à une tension électrique entre les bornes 31 et 33 (fig. 2), tension qui est indiquée ou enregistrée par le dispositif branché sur ces bornes.
11 est facile de connaître la valeur de l'énergie de la source thermique radiante, en ramenant au zéro l'aiguille ou autre organe indicateur ou enregistreur, en faisant passer un courant électrique dans le fil ou ruban résistant situé du côté opposé à celui recevant les radiations. La mesure du courant débité au moment où l'aiguille est revenue au zéro permet de connaître l'énergie électrique qui équivaut à l'énergie radiante reçue; c'est-à-dire en définitive de connaître la valeur absolue de cette énergie radiante. On peut également substituer à l'énergie radiante de l'énergie électrique de manière à obtenir la même déviation.
Les appareils décrits sont susceptibles dc nombreuses applications.
Ils permettent notamment la mesure directe, en grandeur absolue de la radiation solaire directe ou diffusée par une partie don- née de la voûte céleste, et d'une manière générale de toute radiation athermique.
Ils permettent indirectement de régler une radiation thermique à telle valeur énergétique désirée et, par voie de conséquence, de régler la température de la source radiante. C'est ainsi qu'on peut, par exemple. régler la température d'un four à telle valeur désirée: il suffit, pour ce faire, de chauffer électriquement l'un des fils ou rubans résistants à la température voulue réglable facilement par le réglage du courant électrique correspondant, puis d'exposer l'autre face de l'appareil aux radiations du four dans des conditions données de distance, et de poursuivre le chauffage de ce four jusqu'à ce que la tension entre les bornes 31 et 33 (fig. 2) tombe à zéro. Ceci est indiqué par le retour au zéro de l'aiguille du dispositif de mesure branché sur ces bornes.
Naturellement, l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution repré sentés et décrits qui n'ont été choisis qu'à titre d'exemple.