Dispositif sensible à des variations thermiques. L'invention a; pour objet un dispositif sensible à des variations thermiques.
Un dispositif connu consiste en un réser voir tubulaire, relié par un tube capillaire @ un élément sensible, généralement un tube de Bourdon ou un soufflet flexible. On fait tout d'abord un vide très poussé dans le dispositif complet, qu'on remplit ensuite sous pression avec le fluide devant être employé et qu'enfin on ferme hermétiquement. Ordinairement on construit l' enveloppey, du réservoir en métal et on remplit le dispositif avec un fluide.
qu'on choisit parce qu'il a. un coefficient volu métrique de dilatation thermique relative- ment élevé, en comparaison de celui de l'en veloppe du réservoir. Pour ce remplissage, on emploie souvent des fluides tels que le mercure, l'alcool et l'azote.
Avec une telle disposition, quand la tem pérature .du milieu entourant le réservoir ,@e modifie, une différence de dilatation se produit entre le volume. du fluide de rem plissage dans le réservoir et l'enveloppe de métal. Ainsi une .partie du fluide de remplis sage e-4 forcée d'entrer dans l'élément sen sible flexible ou en est expulsée=, et l'oblige à ce dévier. Le mouvement de l'élément sen sible est alors convenablement amplifié par divers procédés bien connus.
Tout d'abord le principal obstacle ren contré par le genre de dispositif décrit plus liant a, été le retard avec lequel il répond à de: varia.tionbrusques ou faibles de. la tem- pérature du milieu entourant le réservoir. Ce retard provient de ce que, l'enveloppe du réservoir doit s'échauffer, avant que de la chaleur puisse être transmise au fluide de remplissage, et aussi de ce que du temps se perd, jusqu'à ce que, le fluide de remplissage se soit réchauffé uniformément dans toute sa. masse.
Par conséquent, non seulement il ne répond -que faiblement au début, mais de plus il n'atteint un état final stable qu'avec un grand retard.
La, présente invention vise à créer des moyens par lesquels le retard thermique de ces dispositifs puisse être considérablement réduit et qui leur permettent de répondre d'une manière plus immédiate à des varia tions da températures, ce qui est très désira ble dans des applications au réglage de tem pérature.
Pour obtenir ce résultat, on a. créé en con formité de l'invention une forme d'exécution du réservoir, qui, en fait, remplace- le dispo sitif à dilatation de liquide par un autre dans lequel la dilatation et la contraction de l'enveloppe du réservoir deviennent les agents principaux de l'injection dans le tube de Bourdon, ou de l'expulsion hors de ce der nier, de la, quantité de fluide de remplissage nécessaire pour provoquer la. déviation re quise. Dans ce cas, le fluide de remplissage joue uniquement le rôle d'un milieu hydrau lique servant à transmettre les variations de volume de l'enveloppe à l'élément sensible.
Par conséquent, l'invention consiste, dans ses grandes lignes, en un dispositif sensible à des varïations thermiques, dans lequel. la réaction à -des modifications d'une tempéra ture est transmise par un fluide contenu -dans une enveloppe;
la, disposition étant telle que dans les dilatations et les contractions de l'espace occupé par le fluide, la réaction d'au moins une partie de l'enveloppe prédomine sur l'effet direct des variations de tempéra ture sur le fluide. Pour des raisons qui seront données plus loin, on préfère dans beaucoup de cas une disposition telle que la, pression exercée sur le fluide diminue, quand la température monte, et augmente, quand la température baisse.
Toutefois la disposition peut aussi être telle que la pression exercée sur le fluide augmente avec une hausse de la température et diminue avec une baisse de cette dernière, comme c'est le cas -dans les dispositions ordi naires répondant à -des variations thermiques.
Le dispositif sensible à des variations thermiques comprend un réservoir, dont l'in térieur est rempli en majeure partie par un corps constitué d'une matière ayant un coef ficient de dilatation thermique ,différent de celui de la matière constituant le réservoir, l'espace existant entre le corps de remplissage et la paroi intérieure -du réservoir étant occupé par un fluide et la .disposition étant telle qu'une pression exercée sur le fluide varie en fonction des variations:
d'une tempé- rature et que les variations de cette pression soient dues surtout aux dilatations et con tractions thermiques relatives du réservoir et du corps de remplissage.
La. matière constituant le corps de rem- plissage peut avoir un coefficient de dilata tion thermique relativement faible, en com paraison de celui de la matière constituant le réservoir et pratiquement négligeable dans des marges de température étendues. Le corps peut être par exemple en quartz, en silice fondue ou en alliage de fer et de 36 de nickel, appelé communément acier Invar:>. Ce corps peut être sous la. forme d'au moins une tige, d'au moins un tube fermé ou de grains.
Le réservoir peut avoir une forme tubu laire; il peut être en métal ou en une matière ayant une bonne conductibilité et un coeffi- oient de dilatation thermique relativement élevé dans -des marges de températures éten dues, par exemple en cuivre, en acier inoxy dable, en aluminium ou ses alliages.
Le dispositif peut ainsi comprendre deux tubes ayant des coefficients de dilatation. différents, l'un ayant de préférence un coeffi cient aussi proche que possible -de zéro, ces deux tubes étant disposés pour s'emboîter l'un .dans l'autre, de façon à ménager entre eux un espace annulaire mince, qu'on remplit de fluide de transmission.
Le tube, qui est relati vement le plus dilatable, peut être: placé à l'extérieur et dans ce cas sa face extérieure est exposée à un fluide, dont la température subit des variations par lesquelles le dispo sitifest influencé; inversement, si le tube, qui est relativement le plus dilatable, est à l'in térieur, sa face intérieure est exposée au fluide de température variable. Ce dernier fluide peut être le même ou un autre que celui avec lequel serait en contact la. face découverte du tube relativement non dilata ble.
La face découverte du tube ayant le coefficient de dilatation relativement le plus élevé pourrait aussi être la seule qui fût exposée directement à un fluide de tempé rature variable. Un réservoir construit de cette manière pourrait être intercalé dans une tuyauterie, -de façon que le gaz ou le liquide, coulant dans cette tuyauterie et dont la tem pérature doit être mesurée, passe dans le tube intérieur du dispositif, ce tube ayant le coef ficient de dilatation relativement élevé.
De cette manière, la température du fluide pour rait être prise, sans gêner en aucune façon l'écoulement dans la tuyauterie, ce qui d'habi tude est inévitable avec les types -de thermo mètres existants, à moins que la section de la tuyauterie ne soit agrandie pour loger le réservoir.
Le dispositif peut comprendre un élément sensible relié au réservoir par un tube capil- laine, l'ensemble étant rempli avec un fluide, dont le coefficient de dilatation volumétrique est bas. et étant ensuite fermé hermétique ment.
I@t@ dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution du dis positif selon l'invention.
I@c fib. 1, 2 et 3 en sont des coupes ver- l ie ales.
Le dispositif représenté par la. fig. 1 com prend nu réservoir tubulaire 1. dilatable, en acir@r inoxy da.ble, dune lequel est monté un corps ou noyau ?, constitué par une tige: de silice .solide, non dilatable et réservant un e.@pacc annulaire mince 3.
L'espace 3 commu nique par un passage 4, ménagé dans une pièce d'extrémité 5, avec un tube capillaire 6 c-onclui:ant à un tube de Bourdon 7, et le dispositif est rempli d'un fluide de trans mission qui est du mercure.
Le noyau de silice est meulé sur toute sa @iirface et ses dimensions sont telles qu'à. la. température la. plus basse à laquelle le dis- positif doit fonctionner, l'espace annulaire occupé par le mercure .soit un minimum com patible avec un remplissage satisfaisant. cet effet, tandis qu'on maintient le réservoir â, la, température requise la plus basse,
on remplit 1c dispositif avec du mercure sous pression et on le ferme, de façon :que le tube de Bourdon soit forcé de se dévier d'une (luanlit.é, comprise. dans les limites (le sa déviation possible, et suffisante pour action ner une plume d'enregistrement sur une lon- gueur d'échelle désirée.
Le réservoir est dis posé d(# façon que son enveloppe ait une épaisseur minimum et une capacité thermique minimum, mais que son épaisseur sait néan moins assez forte pour résister à la. pression intérieure avec un coefficient de sécurité Suffisant.
Dès que la température du milieu entou rant le réservoir est atteinte, l'enveloppe mé- lallique reçoit de la chaleur et commence immédiatement à se dilater, en provoquant un agrandissement ,de l'espace annulaire exis- lant: entre elle et le noyau non dilatable. La contrepre-#sion exercée par l'élément sensible, qui est déjà dilaté, comprime dans ledit espace le fluide de remplissage, soit ici le mercure, et l'élément sensible devient ainsi moins dilaté.
Il est clair que le volume du fluide de remplissage du réservoir, qui occupe l'espace annulaire entre l' envelqppe et le < .noyau , doit être limité à une valeur aussi petite que possible, @de façon que l'effet de sa dilatation ou de sa contraction, qui tend à contrebalancer l'effet de la dilatation ou de la contraction de l'enveloppe du réservoir, soit maintenu à. une valeur minimum.
En se servant de ce dispositif, on peut obtenir une réaction à peu près immédiate à, de petites variations de la température du réservoir, ainsi qu'une notable réduction du temps pris après une variation pour arriver à un état final et stable.
Dans des essais faits avec l'instrument décrit plus. haut., dans lequel -de l'acier inoxydable, métal connu comme peu conducteur, était utilisé pour l'en veloppe du réservoir, on a, obtenu un coe=ffi cient de retard thermique comparable à celui d'un couple thermique au chrome-aluminium en fils nus équivalant au No 10 de la, série normale de fils.
Dans cette forme d'exécution du dispo s s itif, le tube de Bourdon ou l'élément sensible agit en sens inverse -de ce qui est habituel dans un dispositif à dilatation de liquide, c'est-à-dire qu'à la plus haute température de la marge requise, l'enveloppe du réservoir est dilatée et que pa-r conséquent l'élément sensible est sous une pression intérieure réduite-.
Ce fait est important, puisque beau coup de thermomètres ordinaires à dilatation de liquide sont promptement en défaut, lors que le réservoir est -exposé brusquement et à plusieurs reprises à -des températures éle vées, et aussi lorsqu'il est soumis à une tem pérature d'une manière persistante, en raison de la fatigue excessive de la. matière consti tuant l'élément sensible.
Il apparaît ainsi clairement qu'en faisant passer le réservoir du dispositif décrit de l'état froid>> à l'état chaud , selon ce qui se produit dans la pra tique de beaucoup la plus fréquente, on pro voquera une. diminution de l'effort de l'élé- ment sensible, dans une mesure, qui peut. être réglée primitivement par l'élément sen sible lui-même.
De plus, là où le réservoir est soumis à -des températures élevées continues pendant de longues périodes, l'élément sensible ou tube de Bourdon fonctionnera; avec un effort beaucoup plus faible que précédemment, et tendra ainsi à prolonger le temps pendant le quel il sera utilisable.
Pour que ces conditions soient toujours remplies, la contrepression exercée par le tube de Bourdon doit toujours dépasser la tension de vapeur -du moyen de remplissage correspondant à la température maximum à laquelle le. réservoir sera em ployé.
La fig. 2 est .semblable à la fig. 1, sauf que le noyau non dilatable 2 est creux et que le tube,de Bourdon n'est par représenté. Dans la fig. 3, on voit un tube extérieur 8, non dilatable, dans lequel -est monté un tube inté rieur dilatable 9, réservant un espace annu laire mince 10. L'espace 10 communique par un espace d'extrémité 11 et un passage 12 avec un tube capillaire 13, conduisant à, un tube de Bourdon (non représenté).
Le dis positif comprend des parties extrêmes filetées 14 et 15, servant à l'intercaler dans une tuyauterie conduisant un fluide, qui passe au travers d'un tube intérieur.,dilatable 9, à l'aide duquel on mesure la. température du fluide.
Dans le cas où le dispositif comprend deux tubes emboités l'un :dans: l'autre, une: variation de température -du milieu entourant le tube extérieur, ou de celui qui se trouve dans le tube intérieur, ou de ces deux milieux en même temps, provoquera une variation de volume de l'espace annulaire existaut entre les deux tubes, en raison de la différence de dilatation de ces derniers. Si:
le tube extérieur est celui qui a le coefficient de dilatation le plus élevé, le fluide de transmission sera comprimé par l'espace annulaire dans une mesure croissante, lorsque la température baissera, ou s'accommodera mieux de l'espace annulaire, lorsque la température montera.
Si les tubes sont .disposés d'une manière inverse, c'est-à-dire & i le tube relatïvement dilatable est à l'intérieur, l'action & compression du liquide par l'espace annulaire se manifestera maintenant avec une température croissante et vice versa pour une température décrois-
Device sensitive to thermal variations. The invention has; for object a device sensitive to thermal variations.
A known device consists of a tubular reservoir, connected by a capillary tube @ a sensitive element, generally a Bourdon tube or a flexible bellows. First of all, a very high vacuum is made in the complete device, which is then filled under pressure with the fluid to be used and which finally is sealed. Usually the envelope of the tank is made of metal and the device is filled with fluid.
that we choose because he has. a relatively high volumetric coefficient of thermal expansion, compared to that of the shell of the tank. For this filling, fluids such as mercury, alcohol and nitrogen are often used.
With such an arrangement, when the temperature of the medium surrounding the tank changes, a difference in expansion occurs between the volume. of the filling fluid in the tank and the metal casing. Thus a .part of the e-4 wise filling fluid forced to enter the flexible sensitive element or is expelled therefrom =, and forces it to deviate. The movement of the sensitive element is then suitably amplified by various well known methods.
First of all, the main obstacle encountered by the kind of device described more binding has been the delay with which it responds to sudden or weak variations in. the temperature of the medium surrounding the tank. This delay is due to the fact that the shell of the reservoir must heat up before heat can be transmitted to the filling fluid, and also to the loss of time until the filling fluid warmed evenly throughout its. mass.
Therefore, it not only responds weakly at first, but also reaches a stable end state only with a great delay.
The present invention aims to provide means by which the thermal retardation of such devices can be considerably reduced and which enables them to respond more immediately to variations in temperature, which is highly desirable in applications at the same time. temperature adjustment.
To obtain this result, we have. created in accordance with the invention an embodiment of the reservoir, which in fact replaces the liquid expansion device with another in which the expansion and contraction of the shell of the reservoir become the main agents of the injection into the Bourdon tube, or of the expulsion out of it, of the quantity of filling fluid necessary to induce the. deviation required. In this case, the filling fluid plays only the role of a hydraulic medium serving to transmit the variations in volume from the envelope to the sensitive element.
Consequently, the invention consists, in broad outline, of a device sensitive to thermal variations, in which. the reaction to changes in temperature is transmitted by a fluid contained in an envelope;
the arrangement being such that in the expansions and contractions of the space occupied by the fluid, the reaction of at least part of the envelope predominates over the direct effect of the temperature variations on the fluid. For reasons which will be given later, an arrangement such that the pressure exerted on the fluid decreases when the temperature rises and increases when the temperature drops are preferred in many cases.
However, the arrangement can also be such that the pressure exerted on the fluid increases with an increase in temperature and decreases with a decrease in the latter, as is the case -in ordinary arrangements responding to thermal variations.
The device sensitive to thermal variations comprises a reservoir, the interior of which is filled for the most part by a body made of a material having a thermal expansion coefficient different from that of the material constituting the reservoir, the space existing between the filling body and the inner wall of the reservoir being occupied by a fluid and the arrangement being such that a pressure exerted on the fluid varies according to the variations:
of a temperature and that the variations in this pressure are due above all to the relative thermal expansions and contractions of the reservoir and of the filling body.
The material constituting the filler body may have a relatively low coefficient of thermal expansion, compared to that of the material constituting the reservoir, and practically negligible over wide temperature ranges. The body may for example be made of quartz, fused silica or an alloy of iron and nickel 36, commonly called Invar steel:>. This body can be under the. form of at least one rod, at least one closed tube or of grains.
The reservoir may have a tubular shape; it may be made of metal or of a material having good conductivity and a relatively high coefficient of thermal expansion over wide temperature ranges, for example copper, stainless steel, aluminum or its alloys.
The device can thus comprise two tubes having expansion coefficients. different, one preferably having a coeffi cient as close as possible to zero, these two tubes being arranged to fit into each other, so as to leave between them a thin annular space, which fill with transmission fluid.
The tube, which is relatively the most expandable, can be: placed on the outside and in this case its outer face is exposed to a fluid, the temperature of which undergoes variations by which the device is influenced; conversely, if the tube, which is relatively the most expandable, is on the inside, its inside face is exposed to the fluid of varying temperature. This latter fluid may be the same or another than that with which the Ia would be in contact. exposed side of the relatively non-expandable tube.
The exposed face of the tube with the relatively higher coefficient of expansion could also be the only one which was directly exposed to a fluid of varying temperature. A tank constructed in this way could be interposed in a pipe, -so that the gas or liquid flowing in this pipe and whose temperature must be measured, passes into the inner tube of the device, this tube having the coefficient relatively high expansion.
In this way, the temperature of the fluid could be taken, without in any way impeding the flow in the piping, which is usually unavoidable with existing types of thermometers, unless the section of the piping is enlarged to accommodate the tank.
The device may include a sensitive element connected to the reservoir by a capillary tube, the assembly being filled with a fluid, the volumetric coefficient of expansion of which is low. and then being hermetically sealed.
I @ t @ accompanying drawing represents, by way of example, three embodiments of the positive device according to the invention.
I @ c fib. 1, 2 and 3 are ver- al sections.
The device represented by the. fig. 1 includes a tubular tank 1. expandable, in acir @ r inoxy da.ble, from which is mounted a body or core?, Consisting of a rod: of solid silica, non-expandable and reserving a thin annular e. @ Pacc 3.
The space 3 communicates through a passage 4, formed in an end piece 5, with a capillary tube 6 c-included in a Bourdon tube 7, and the device is filled with a transmission fluid which is mercury.
The silica core is ground over its entire surface and its dimensions are such as. the. temperature the. the lower at which the device is to operate, the annular space occupied by the mercury is a minimum compatible with satisfactory filling. this effect, while maintaining the reservoir at the lowest required temperature,
the device is filled with pressurized mercury and closed, so that the Bourdon tube is forced to deviate by a (luanlit.é, included. within the limits (the possible deviation, and sufficient for action nn a recording pen at a desired scale length.
The tank is arranged in such a way that its casing has a minimum thickness and a minimum thermal capacity, but that its thickness is nonetheless strong enough to withstand the internal pressure with a sufficient safety coefficient.
As soon as the temperature of the medium surrounding the tank is reached, the metal envelope receives heat and immediately begins to expand, causing an enlargement, of the annular space existing: between it and the non-core. expandable. The counterpressure exerted by the sensitive element, which is already expanded, compresses the filling fluid in said space, in this case mercury, and the sensitive element thus becomes less dilated.
It is clear that the volume of the filling fluid of the reservoir, which occupies the annular space between the envelope and the core, must be limited to a value as small as possible, so that the effect of its expansion. or its contraction, which tends to counteract the effect of the expansion or contraction of the shell of the reservoir, be maintained at. a minimum value.
Using this device, one can obtain an almost immediate reaction to small changes in the temperature of the tank, as well as a noticeable reduction in the time taken after a change to arrive at a final stable state.
In tests made with the instrument described more. top., in which stainless steel, a metal known to be poorly conductive, was used for the shell of the tank, a thermal retardation coefficient comparable to that of a thermal torque with chromium was obtained. -aluminum in bare wire equivalent to No. 10 of the normal series of wires.
In this embodiment of the device, the Bourdon tube or the sensitive element acts in the opposite direction to what is usual in a liquid expansion device, that is to say that at most high temperature of the required margin, the shell of the tank is expanded and that the sensitive element is therefore under reduced internal pressure.
This fact is important, since many ordinary liquid-expansion thermometers fail quickly, when the tank is suddenly and repeatedly exposed to high temperatures, and also when subjected to high temperature. in a persistent manner, due to the excessive fatigue of the. matter constituting the sensitive element.
It thus appears clearly that by passing the reservoir of the device described from the cold state >> to the hot state, depending on what occurs in much the most frequent practice, one will bring about a. decrease in the force of the sensitive element, to an extent which can. be regulated primarily by the sensitive element itself.
In addition, where the reservoir is subjected to continuous high temperatures for long periods of time, the sensing element or Bourdon tube will operate; with a much lower effort than previously, and will thus tend to extend the time during which it will be usable.
So that these conditions are always met, the back pressure exerted by the Bourdon tube must always exceed the vapor pressure of the filling means corresponding to the maximum temperature at which the. tank will be used.
Fig. 2 is similar to FIG. 1, except that the non-expandable core 2 is hollow and that the Bourdon tube is not shown. In fig. 3 shows an outer tube 8, non-expandable, in which -is mounted an inner expandable tube 9, reserving a thin annular space 10. The space 10 communicates by an end space 11 and a passage 12 with a capillary tube 13, leading to, a Bourdon tube (not shown).
The positive device comprises threaded end parts 14 and 15, serving to insert it into a pipe carrying a fluid, which passes through an inner tube., Expandable 9, with the aid of which the. fluid temperature.
In the case where the device comprises two nested tubes one: in: the other, one: temperature variation - of the medium surrounding the outer tube, or of that which is in the inner tube, or of these two media in at the same time, will cause a variation in the volume of the annular space existaut between the two tubes, due to the difference in expansion of the latter. Yes:
the outer tube is the one with the highest coefficient of expansion, the transmission fluid will be compressed by the annulus to an increasing extent, when the temperature drops, or will accommodate the annulus better, when the temperature will go up.
If the tubes are arranged in a reverse manner, i.e. the relatively expandable tube is inside, the action & compression of the liquid by the annulus will now manifest itself with increasing temperature. and vice versa for a decreasing temperature