Appareil de réception et de mesure d'une énergie thermique rayonnée
La présente invention a pour objet un appareil de réception et de mesure d'une énergie thermique rayonnée, comprenant une pile formée de thermocouples dont les soudures sont réparties sur deux faces opposées de la pile, cette pile présentant un corps central bon conducteur de chaleur destiné à absorber et à dissiper les calories absorbées par les soudures réceptrices des thermocouples, une enceinte entourant toute la pile à l'exclusion de la zone dans laquelle sont situées les soudures réceptrices. Pour qu'un tel appareil soit utilisable pratiquement avec efficacité, il doit satisfaire aux conditions suivantes:
a) il doit être stable
b) indépendant de la température ambian
te et de ses variations;
c) sensible
d) de réponse rapide.
Les deux premières conditions énoncées sont satisfaites en grande partie par la construction spéciale des thermopiles les plus récentes, telles que celle décrite dans le brevet suisse N" 270570.
L'appareil selon l'invention tend à améliorer encore les conditions a) et b) ci-dessus, tout en satisfaisant de plus aux conditions c) et d).
En effet, les conditions c) et d) ne sont pas, ou très imparfaitement, remplies par les pyromètres de construction habituelle. Ceux-ci comprennent, en général, soit un miroir, soit une lentille, pour concentrer les radiations thermi ques à mesurer sur les soudures réceptrices de la thermopile. Dans le cas de l'utilisation d'un miroir, une fenêtre munie d'une glace est prévue pour protéger le miroir. De ce fait, dans ces deux formes d'exécution, une bonne partie des radiations thermiques est soit absorbée par la glace ou la lentille, soit réfléchie par elles, ce qui peut fausser considérablement le résultat de la mesure si la lentille ou la glace deviennent sales durant le fonctionnement, mais surtout diminue la sensibilité et augmente l'inertie de l'appareil quant à son temps de réponse.
L'appareil de réception et de mesure d'une énergie thermique rayonnée, selon l'invention, est caractérisé par le fait qu'il comprend un tube à surface interne réfléchissante constituant un collecteur de l'énergie thermique rayonnée de l'extérieur à travers son orifice externe et disposé dans l'axe des thermocouples de façon à guider cette énergie vers les soudures réceptrices, une enveloppe entourant l'enceinte et ce tube collecteur au moins dans sa partie voisine de la zone dans laquelle sont situées les soudures réceptrices, des canaux étant ménagés intérieurement à cette enveloppe pour permettre la circulation d'un fluide de stabilisation tendant à maintenir à une température constante l'enceinte avec son corps central de même que la partie adjacente du tube collecteur.
Le dessin annexé représente, sous forme de schéma, et à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe axiale de la première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue partielle, en coupe, de la seconde forme d'exécution qui est une variante de la première.
A l'instar d'autres appareils de réception et de mesure d'une énergie thermique rayonnée, la forme d'exécution représentée en fig. I comprend une pile 1 formée de thermocouples 2. Chaque thermocouple est constitué de deux lames métalliques 3, 4 réunies à leurs extrémités par soudure. Ces lames 3 et 4 sont formées en des métaux différents, par exemple l'une en manganine et l'autre en constantan.
Dans les formes d'exécution représentées, les thermocouples sont du même genre que ceux décrits dans le brevet suisse N" 270570, c'est-à-dire que chaque paire de lames 3 et 4 est fixée sur une pièce massive 5, bonne conductrice de chaleur, les lames 3 et 4 et la pièce 5 étant montées dans un corps central 6 en métal bon conducteur de chaleur. Bien entendu, des épaisseurs 7 en matière isolante au point de vue électrique sont interposées entre la pièce 5 et les lames 3 et 4 d'une part, et entre lesdites lames 3 et 4 et le corps central 6 d'autre part. Un certain nombre de thermocouples 2 sont disposés les uns à côté des autres et connectés électriquement en série.
Les lames 4 sont, à cet effet, coudées dans un plan perpendiculaire au dessin de sorte que la moitié supérieure d'une lame 4 soit décalée d'un rang par rapport à sa moitié inférieure.
Chaque lame 3 est donc reliée par sa soudure 10 à la moitié supérieure d'une première lame 4 et par sa soudure 20 à la moitié inférieure d'une seconde lame 4 voisine dont la moitié supérieure fait partie du thermocouple suivant. Les bornes terminales 21 des thermocouples sont reliées par des fils 22 à un organe régulateur (contrôleur), enregistreur ou indicateur, par exemple un galvanomètre (non représenté).
Comme le montre le dessin, une enceinte 8 entoure toute la pile 1, à l'exclusion d'une zone 9 dans laquelle sont situées les soudures réceptrices 10 de la thermopile. Dans le prolongement d'une ouverture 1 1 pratiquée dans l'enceinte 8 autour de la zone 9 est fixé un tube 12 à surface interne 13 réfléchissante.
Ce tube 12 est donc disposé dans l'axe des soudures réceptrices 10 et constitue un collecteur de l'énergie thermique rayonnée dans le prolongement de son extrémité externe 14.
En effet, la surface interne 13 de ce tube constitue un miroir protégé contre la corrosion, par exemple par un dépôt anticorrosif d'or ou d'un autre métal. I1 découle géométriquement et pratiquement que ce tube collecteur 12 capte intégralement tout rayon qui tombe sur son ouverture 14, quel que soit son angle d'incidence. Ce tube 12 remplace ainsi toute lentille ou fenêtre de protection habituellement utilisée dans les pyromètres de construction connue.
Comme on le voit sur le dessin, une enveloppe 15 entoure l'enceinte 8 et ce tube collecteur 12 sur la plus grande partie de sa longueur. Des canaux 16 sont ménagés intérieurement à cette enveloppe 15 pour permettre une circulation d'un fluide de stabilisation tout autour de l'enceinte 8 et du tube 12. Une embouchure 17 que présente l'enveloppe 15 permet son raccordement, par exemple à un tube flexible d'amenée du fluide de stabilisation. Cette enveloppe 15 présente une partie 18 de forme tubulaire disposée concentriquement autour du tube collecteur 12. L'espace annulaire 19 formé entre le tube collecteur 12 et la partie tubulaire 18, à leur extrémité, forme un orifice de sortie du fluide de stabilisation.
Le fluide de stabilisation, amené autour de l'enceinte 8 et du tube collecteur 12, tend au maintien à une température sensiblement constante de l'enceinte 8 et du corps central 6 de la pile, de même que du tube collecteur 12.
Lorsque l'appareil décrit ci-dessus est utilisé, les soudures réceptrices 10 situées sur l'une des faces de la pile absorbent une certaine quantité de calories qui sont transportées par les lames 3 et 4 vers la partie centrale de la pile 1. Ces calories sont ensuite dissipées dans le corps central 6 et, de là, dans l'enceinte 8. Le courant de fluide autour de l'enceinte 8 élimine au fur et à mesure l'excédent de calories qui y ont été transportées. De ce fait, les soudures 20, dites soudures froides , et qui sont situées sur la face de la pile 1 opposée à celle en regard des soudures réceptrices 10 (soudures chaudes ), sont maintenues, elles aussi, à température constante.
Dans la forme d'exécution représentée en fig. 1 le fluide de stabilisation utilisé est, de préférence, un fluide gazeux, par exemple de l'air, ou un autre gaz quelconque. Toutefois, lorsque l'appareil décrit doit être utilisé pour des mesures calorifiques sous vide, l'orifice 19 peut être fermé et un ajutage de sortie peut être prévu en un point quelconque de l'enve- loppe 15. Dans ce cas, le fluide de stabilisation pourra être constitué soit par un fluide gazeux, soit par un liquide, par exemple de l'eau.
La forme d'exécution représentée en fig. 2 présente une membrane 23 en matière bonne conductrice de la chaleur, fermant le tube collecteur 12 à son extrémité interne. Cette membrane 23 est disposée de manière à être en contaot thermique avec les soudures réceptrices 10. Cette membrane 23 est noircie sur sa face dirigée du côté de l'extérieur, sa face interne étant revêtue d'une couche isolante au point de vue électrique, mais permettant toutefois une bonne transmission calorifique vers les soudures réceptrices 10. Une telle membrane 23 peut être constituée par une feuille d'argent, une feuille d'aluminium oxydée sur sa face interne, etc.
Dans ce dernier cas, la rapidité de réponse de l'appareil est assurée grâce aux trois perfectionnements suivants, dont les deux premiers sont valables soit pour l'une, soit pour l'autre des deux formes d'exécution: 1. Les dimensions et la disposition du tube
12 au voisinage des soudures chaudes faci
litent les échanges calorifiques entre celles
ci et l'air ambiant par conductibilité, cet
air étant maintenu à température constante
par la circulation de fluide autour du
tube 12.
2. La disposition des soudures chaudes 10 et
froides 20 à proximité de la masse 6 à gran
de capacité calorifique favorise l'écoule
ment thermique aussi bien lors de l'irradia
tion qu'en absence de radiation.
3. La disposition d'une membrane métallique
noircie 23 (fig. 2), au-dessus des soudures
chaudes 10, assurant le contact thermique
avec l'enceinte 8 et le tube 12, augmente
encore la rapidité de réponse de la ther
mopile.
Dans les exemples représentés, le tube collecteur 12 est de forme géométrique cylindrique. Toutefois, ce tube 12 pourrait être légèrement conique en en forme d'un corps quelconque de révolution.
En variante, l'enveloppe 15, au lieu d'entourer le tube 12 sur la plus grande partie de sa longueur, pourrait n'entourer que la partie du tube 12 voisine de l'enceinte 8.
Le refroidissement de cette partie du tube collecteur 12 permettrait déjà d'éviter un échauffefement de la zone 9 entourant les soudures réceptrices 10, évitant ainsi tout mouvement de convection de l'air autour des soudures réceptrices 10.
L'appareil décrit présente de nombreux avantages par rapport aux pyromètres de construction connue. Ainsi, le refroidissement de l'enceinte 8 et du tube collecteur 12 permet d'augmenter la stabilité de la thermopile, de même que la stabilité du milieu environnant. En effet, l'air ou le gaz (atmosphère quelconque) entourant les soudures réceptrices 10 sera maintenu à température constante, et il n'y aura pas de mouvement de convection de cet air pouvant provoquer des irrégularités de mesure.
Cet appareil, en permettant de supprimer toute lentille ou fenêtre de protection, permet 1'améliorer de façon importante la sensibilité.
Cet appareil permet, en outre, d'opérer des mesures dans des conditions de surpression.
Comme il peut être construit dans des dimensions extrêmement réduites, il peut être disposé à proximité immédiate de la source chaude i mesurer et être ainsi presque en contact avec tette source chaude. De la sorte, cet appareil peut être placé à l'intérieur de machines thermiques telles que, par exemple, des turbines 9 gaz pour lesquelles la température de fonc tionnement a une très grande importance et ne doit, en aucun cas, dépasser une valeur limite supérieure donnée.
Par exemple, cet appareil peut être placé dans le voisinage de la sortie des chambres de combustion d'un moteur à réaction de manière que son tube collecteur 12 capte les radiations omises par l'aubage du distributeur de la turbine. Dans ce cas, un certain volume d'air est dérivé du compresseur du réacteur pour être utilisé comme fluide de stabilisation de l'appareil et introduit dans la chambre de combustion par le canal annulaire 19. Une telle disposition permet d'obtenir une mesure instantanée de la température des points les plus exposés du distributeur tout en assurant une protection complète de la thermopile contre les dépôts carbonifères résultant de la combustion.
Un des nombreux autres domaines d'utilisation est la mesure de zones très précises (pièces ou parois de four) à l'intérieur de fours travaillant sous atmosphères de protection ou sous pression.