Dispositif pour mesurer la température d'un corps au moyen du rayonnement émis par ce corps
La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer la température d'un corps au moyen du rayonnement émis par ce dernier.
Le traitement thermique de surface de machines, d'équipements et analogue, et en particulier le durcissement de la surface, est généralement effectué par un processus de traitement thermique utilisant une flamme de gaz ou le chauffage par induction. Normalement, la mesure de la température de surface de la partie en cours de traitement dépend de l'expérience de la personne effectuant l'opération de traitement thermique. D'autre part, la température est un facteur très important pour le traitement correct du corps, et il est nécessaire d'être aussi précis que possible en maintenant une température constante.
Actuellement, il n'existe aucun équipement précis et pratique pour la mesure de températures par l'énergie du rayonnement. Dans la plupart des cas il est impossible d'introduire un thermo-couple ou dispositif analogue directement dans l'élément do la machine, et les équipements de mesure de température du type à rayonnement actuellement à disposition présentent de nombreuses caractéristiques indésirables pour la mesure de la température par rayonnement
Par exemple, une grande sensibilité dans un domaine particulier peut avoir une grande influence sur le dispositif de mesure à cause de la composition du spectre de la flamme de gaz et de l'absorption d'énergie par la vapeur dans l'atmosphère,
ou la mesure peut être effectuée de manière adverse par la vapeur produite par l'eau utilisée pour le trempage au cours du traitement thermique. En outre, la température de la surface chauffée change à cause de la composition chimique de la matière, en affectant ainsi des dispositifs trop sensibles. De plus, dans les équipe ments dont on dispose actuellement, l'énergie reçue varie proportionnellement à la distance entre la tête de travail de traitement thermique et la surface de mesure. Ceci rend de tels dispositifs inapplicables dans de nombreux cas où le dispositif de mesure serait dans le chemin de mécanismes et d'équipements, et a une grande influence sur la souplesse d'emploi de tels équipements.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une lentille destinée à recevoir de l'énergie de rayonnement émise par ledit corps, des moyens photodétecbeurs espacés de ladite lentille et agencés de façon à recevoir de celle-ci une partie de ladite énergie de rayonnement et transformer ladite énergie en un premier signal électrique, des moyens pour émettre de l'énergie de rayonnement de référence et pour l'envoyer aux dits moyens photodétec- teurs pour être transformée en un signal de référence, et des moyens pour mesurer et comparer ledit premier signal et ledit signal de référence afin d'indiquer la température dudit corps, indépendamment de la distance entre ladite lentille et ledit corps.
Le dispositif peut utiliser certains domaines de longueurs d'onde du spectre du rayonnement du corps en cours de traitement qui sont particulièrement utiles lorsqu'on veut obtenir des lectures précises. On peut ainsi obtenir que les signaux soient reçus sans être influencés ou modifiés par l'effet du spectre de la flamme chauffante ou par la vapeur dans l'atmosphère et que la vapeur provenant de l'eau utilisée pour le trempage n'affecte pas le dispositif récepteur.
Dans une forme d'exécution préférée, la tension amplifiée des moyens détecteurs peut être réglée automatiquement, et il n'est pas ainsi nécessaire de régler la sensibilité du dispositif lors de changements de température. Ainsi le dispositif peimettra de mesurer simplement la température de la surface chauffée non seulement pour le fer et l'acier, mais aussi dans le cas du traitement thermique d'autres matériaux métalliques. Le dispositif rend possible la lecture précise de la température de chauffage, et dans une utilisation particulière, permet de maintenir celle-ci automatiquement dans un domaine de variations étroitement limité afin de diminuer la possibilité d'une dureté irrégulière le long de la surface en cours de traitement.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif de mesure et une forme d'exécution d'une utilisation de celui-ci :
Fig. 1 est une représentation schématique d'une utilisation du dispositif pour le contrôle automatique du traitement thermique d'un corps.
Fig. 2 est une vue schématique à plus grande échelle du dispositif récepteur de radiations et des circuits connectés à celui-ci.
Fig. 3 est un diagramme schématique du passage de certaines ondes du rayonnement d'un point aux moyens photodétecteurs du dispositif de mesure des fig. 1 et 2.
Fig. 4 est une représentation schématique des aires couvertes par la rayonnement de longueur d'onde allant du corps en cours de traitement thermique aux moyens photodétecteurs du dispositif des fig. 1 et 2.
Fig. 5 est un graphique comparatif montrant d'une part les variations de la dureté de la surface d'un corps allongé ayant subi un traitement de durcissement réglé automatiquement par le dispositif de mesure de radiation des fig. 1 et 2, et, d'autre part les variations de la dureté de la surface résultant d'un traitement de durcissement conduit comme d'habitude par inspection visuelle.
Se référant plus particulièrement aux dessins, fig. 1 représente le mieux une utilisation typique du dispositif do mesure de radiations. Un corps allongé généralement cylindrique 10 doit être soumis à un traitement de durcissement de sa surface et à cet effet est monté à proximité d'une machine 12 qui comprend un anneau à flamme 4 monté sur un socle 16 pouvant coulisser le long de coulisses 18 de la machine. Dans une telle installation le corps 10 peut être maintenu stationnaire ou être entraîné en rotation pendant que le socle se déplace le long de ce corps, avec l'anneau à flamme 14 soumettant la surface du corps 10 au traitement thermique. Egalement monté sur le socle 16, par exemple au moyen d'un bras 20, se trouve l'équipement de mesure de radiations indiqué de façon générale par le chiffre 22.
L'équipement de mesure de radiations 22 comprend un dispositif récepteur, indiqué de façon générale par le chiffre 24, et les circuits électriques asso ciés indiqués par la boîte 26 et qui seront décrits de façon plus détaillée ci-dessous. Un dispositif de commande, indiqué de façon générale par le chiffre 28, est connecté aux circuits dans la boîte 26 et est relié de manière convenable à la machine 12, par exemple par le conduit électrique 30, pour commander auto matiquement le déplacement du socle 16, et ainsi de l'anneau à flamme 14, le long du corps 10.
A mesure que le corps 10 est traite, c'est-à-dire que la surface du corps est chauffée, le corps change de couleur par suite de la chaleur appliquée. Le spectre de rayonnement du corps chauffé est transmis au dispositif détecteur 24 où le rayonnement lumineux est transformé en signaux électriques qui peuvent être mesurés et évalués afin de déterminer la température de la surface du corps 10. En même temps, les signaux électriques peuvent être introduits dans le dispositif de commande 28 pour la commande automatique correcte de la machine 12.
Afin de parvenir à ce résultat, il a été prévu le dispositif détecteur de radiations représenté le mieux à la figure 2. Le dispositif 24 comprend un carter 26 dans lequel sont montés ses éléments. Ces éléments comprennent une lentille 28 disposée sur le chemin du spectre rayonné par le corpslO. Immédiatement en avant de la lentille 28 se trouve un filtre 30, dont la fonction sera plus clairement apparente ci-après.
Monté à l'extrémité opposée du carter 26 se trouve un dispositif photo-détecteur convenable 32 qui peut être de tout type bien connu pour transformer un rayon lumineux en un signal électrique. Ainsi, un rayon lumineux, tel que celui représenté par la ligne en traits interrompus 34, passera à travers le filtre 30, la lentille 28 et éventuellement à travers le photodétecteur 32.
Pendant le durcissement à la flamme du corps 10 il se présentera une certaine atmosphère de gaz et de vapeurs provenant du milieu de trempage. Dans le cas de procédés de durcissement par induction il se présente également de la vapeur. Il est naturel que de telles vapeurs aient sur l'énergie de rayonnement émise par le corps 10 une influence entravant une mesure précise au cours du processus. On a trouvé que le spectre de rayonnement n'est pas affecté par les vapeurs de trempage au-dessous d'une longueur d'onde de 8, 000 Angstroms. Semblablement, le spectre de gaz combustibles est considérablement influencé au-dessous do 6, 000 Angströms et au-dessus de 9, 000 Angströms. Ainsi, une cellule photo-détec- trice qui présente une sensiblilité comprise entre 6, 000 et 8, 000 Angströms est désirable.
La partie du spectre qui est au-dessous de 6, 000 Angströms peut facilement être éliminée par le filtre 30. Comme telles les atmosphères de vapeurs et de gaz combustibles n'ont pas d'effet sur le dispositif de mesure de tempé- rature. Il est également désirable d'éliminer d'autres radiations fortuites qui existent à proximité de la flamme et du corps chauffé. Il est aussi désirable de restreindre le rayonnement à une aire aussi petite que possible sur le corps 10 afin qu'une mesure plus précise puisse être obtenue. A cet effet, un masque 34 est disposé à proximité de la lentille 28 est de nature telle qu'il absorbe l'énergie rayonnante à l'exception de celle passant à travers une ouverture centrale 36.
L'ouverture 36 peut être de toute forme et dimen- sions convenable, quoiqu'il soit désiré qu'elle soit carrée à des fins qui apparaîtront plus clairement ci-après. Semblablement, un deuxième masque 38 avec un ouverture plus petite 40 formée centralement dans ce dernier est disposé à proximité du photo-détecteur 32. La combinaison des masques 34 et 38 donnent la mesure de la température d'une aire relativement petite sur le corps 10 pour plus de précision.
Afin de fournir une référence qui peut être comparée aux radiations émises par le corps 10, une lampe tungstène 42 est disposée dans le carter. La lampe 42 est alimentée par une source de courant convenable 44, commodément réglée au moyen d'un rhéostat ou analogue 46, de manière que le rayonnement qu'elle émet puisse être convenablement choisi.
Un voltmètre ou analogue 48 est inséré dans le circuit de la lampe et pourvu de moyens indicateurs 50 pour indiquer la puissance d'émission de la lampe 42. A proximité immédiate de la lampe 42 se trouve une lentille 52 qui dirige le rayonnement sur une surface réfléchissante telle qu'un miroir 54, pour diriger l'énergie de radiation vers le photozdétecteur 32.
Afin que les radiations émises par le corps 10 et les radiations provenant de la lampe de référence 42 ne puissent pas parvenir simultanément au photo-tecteur 32, un dispositif modulateur convenable a été prévu. Celui-ci a la forme d'un dispositif pour hacher la lumière 56 disposé sur le chemin de l'énergie de radiation émise par le corps 10 et d'un dispositif pour hacher la lumière 58 disposé sur le chemin de l'énergie de radiation émise par la lampe 42. Les dispositifs pour hacher la lumière 56 et 58 sont synchronisés de façon à envoyer cycliquement au photo-détecteur la radiation émise par le corps 10 et la radiation émise par la lampe 42. Un moteur à induction convenable ou analogue 60 est prévu pour entraîner en rotation les dispositifs pour hacher la lumière 56 et 58.
Si l'on considère maintenant les circuits électri- ques dans la boîte 26, dont la plupart comprennent des éléments électriques standards ou bien connus, les signaux provenant du photo-détecteur 32 sont amplifiés par un circuit amplificateur indiqué par la boîte 62. Les signaux provenant de l'amplificateur 62 sont séparés par un circuit de commande convenable 64 et transmis à un deuxième amplificateur 66. Un instrument 68 convenablement connecté à l'amplifi- cateur 66 mesure la différence entre les deux signaux, c'est-à-dire la différence entre le signal provenant du corps 10 et celui provenant de la lampe 42, et indique ainsi la température sur le corps 10.
En outre, un signal électrique est envoyé des bornes 70 au dispositif de commande 28 de la machine pour commander la machine 12 automatiquement en fonction de la différence entre les deux signaux électriques. Pour compléter le circuit photo-détecteur, il est prévu un circuit de commande 72 de tout type bien connu qui sert de commande électrique opérative pour le photo-détecteur 32.
Conformément à ce qui précède, en fixant l'éner- gie de radiation de la lampe 42, on peut déterminer la température de l'objet 10. En d'autres termes, la température de l'objet sera indiquée indirectement par la puissance de la lampe 42 et par la comparaison avec le signal de radiation émis par le corps chauffé 10.
Comme indiqué ci-dessus, la position des moyens de détection de radiations 24 est indépendante de la distance entre ceux-ci et le corps rayonnant 10. Ceci peut être expliqué en se référant aux figures 3 et 4, qui indiquent schématiquement le passage des ondes rayonnées du corps 10 au photoedétecteur 32. Afin de simplifier l'explication de la théorie, on se référera à l'ouverture 36 du masque 34 de lentille comme étant carrée en indiquant ainsi une ouverture carrée dans la lentille 28. Ceci est indiqué par le rectangle intermédiaire dans la figure 3 du dessin.
Par consé- quent un point de trace de radiation P (x, y) sur la surface rayonnante O-xy, qui représente le corps 10, restera dans l'aire du carré qui a de l'influence sur l'énergie passant à travers le masque 38 adjacent au photo-détecteur 32.
La partie de l'énergie totale rayonnée par le point rayonnant T qui passe à travers le masque est donnée par la formule suivante
EMI3.1
K est un coefficient qui dépend de la matière, des conditions de surface, et de la température sur la surface rayonnante, mais il ne dépend pas de la position (x, y) lorsque la surface rayonnante O-xy présente une caractéristique de rayonnement constante.
a,, est la distance entre le centre de la lentille et le centre P0 de la surface rayonnante.
a est la distance entre le centre de la lentille 28 et le point rayonnant P (x, y) et est égal à aO+da.
b,,
est la distance entre le centre de la lentille 28 et le point Po sur le centre du photo-détecteur P..
h est la distance entre le centre de la lentille 28 et le masque 38 adjacent au photo-détecteur 32.
S (x, y) est l'aire représentée par la partie hachurée comprise dans l'aire de 1'2 et m2 à la figure 4.
Les conditions suivantes doivent être remplies pour que la formule 1 soit satisfaite :
EMI3.2
<tb> <SEP> (1')
<tb> <SEP> 2
<tb> 1 <SEP> > > <SEP> 4c'est-à-dire <SEP> l <SEP> > <SEP> (1 <SEP> + <SEP> mf) <SEP> 2
<tb> <SEP> ao <SEP> ao <SEP> f/
<tb>
Ceci est une limite minimum de distance détermi- nale, et dans la formule ci-dessus 1 est la longueur d'un côté de l'ouverture 36 du masque 34, m est la longueur d'un côté de louverture 40 du masque 38, et f est la distance focale de la lentille 28.
Si l'on intègre la formule 1 par rapport à x, y, l'énergie totale passant à travers le masque 38 sera donnée par :
EMI4.1
Cette formule indique que l'énergie totale qui passe à travers le masque 38 n'est pas influencée par la valeur de la distance entre la lentille et la surface rayonnante dans les conditions suivantes. :
EMI4.2
Cette même formule (2) peut être obtenue d'une autre manière, même là où les conditions cidessus ne sont pas requises.
Une quantité d'énergie dE' (P) fraction de l'énergie totale rayonnée par le point P passe à travers la lentille 28 et cette énergie sera proportionnelle à l'angle co qui est l'angle solide de la lentille 28 par rapport au point P. De là on peut montrer que :
dE' (P) = co Kdxdy=--.--Kdxdy(3) où a (, est la distance entre le centre de la lentille 28 et le centre de la surface rayonnante (Po). a est la distance entre le centre de la lentille 28 et le point rayonnant (P) et a =ao+da. 1 est la longueur d'un côté de l'ouverture 36 du masque de lentille 34.
La projection du masque de lentille 36 sur la surface de masque 38 est un carré, et cette image de projection à une longueur de côté égale à 1'. 1'est donné comme suit : b.
0 où b,, est la distance entre le centre do la lentille 28 et le point PD'du photo-détecteur 32. h est la distance entre le centre de la lentille 28 et le masque 38.
L'énergie passant à travers la lentille 38 sera répartie uniformément sur l'aire de 1'2. Par conséquent, l'énergie dE (P) passant à travers le masque peut être exprimée comme suit :
EMI4.3
où S (xy) est Faire représentée par des hachures, à la figure 4 et comprise dans les aires 1'2 et m2. a = aO + @ a.
Par conséquent,
EMI4.4
da etl > 4--.
ao
Dans ces conditions
EMI4.5
par conséquent, l'energie totale qui passe à travers le masque est donnée par la formule :
EMI4.6
S (xy) se calcule comme suit :
m/I'; où m est la longueur d'un côté du masque
(carré)
0 (r-m)
0 ? y ? 1/2(l'm) et dans ces conditions :
S (xy) = [1/2 (l' + m) - x'] [1/2 (l'+ m) - y']
Les relations entre 1'et 1, x'et x, y'et y sont les suivantes conformÚment Ó la figure l et Ó la figure 2:
x'=h/x
ao
Y=aY
au
(bo-h) I
0
Si l'on pose 9 1/2 (1' + m) et m), alors la formule (6) devient :
EMI4.7
Pour les conditions do 0 = x = q'et 0 = y = C)' :
e-x'= m = constante, o-y'= m = constante.
De plus, x et y sont indépendants et du fait qu'ils sont du même type do fonction x et y, on obtient :
EMI4.8
EMI4.9
En utilisant 1'de la formule (7) on obtient :
EMI5.1
et par conséquent C
EMI5.2
<tb> <SEP> r <SEP> h <SEP> h <SEP> 1
<tb> I'\ <SEP> m, <SEP> c'est-à-dire <SEP> I <SEP> [1 <SEP> + <SEP> aO <SEP> 1 <SEP> (a)
<tb> <SEP> z
<tb> <SEP> 2
<tb> a <SEP> 4--, <SEP> c'est-à-dire <SEP> 1 > --+-' <SEP> (b)
<tb> <SEP> l¯ <SEP> J
<tb>
Forme du masque de lentille :
carrée (c)
En disposant le système optique de manière à remplir les trois conditions ci-dessus, l'énergie obX tenue à la téta de travail s'exprimera comme suit :
EMI5.3
<tb> <SEP> ion. <SEP> 1 <SEP> 2
<tb> E <SEP> = <SEP> K---== <SEP> constante
<tb> <SEP> J
<tb>
Par conséquent l'énergie reçue ne sera pas in fluencée par la distance entre la tête de travail et l'objet.
De ce qui précède on voit facilement que la dis, tance séparant la tête de mesure 24 du corps rayonnant 10 n'a aucune influence ou effet sur la mesure du rayonnement.
La figure 5 représente les résultats de mesures de dureté effectuées sur certains rouleaux de machines pour lesquels une grande uniformité de dureté est demandée. La composition de la matière de ces rouleaux était SUJ-2 (C. : 0. 95-1. 10,
SI. : 0. 15-0. 35, CR. : 0. 90-1. 20) et le procédé de durcissement progressif à flamme rotative fut applique en utilisant une tête annulaire telle que celle représentée à la figure 1. Dans ce procédé, le rouleau fut placé horizontalment dans le dispositif rotatif et mis en rotation suivant les nécessités. La tête annulaire fut passée régulièrement le long du rouleau pour durcir celui-ci à la flamme Le fluide de trempage était de l'eau de robinet.
La distance entre la tête annulaire et la surface du rouleau était de 13 mm et la longueur de flamme de 11 mm, la flamme utilisée étant une flamme oxy-acétylène neutre. Des résultats d'essais utilisant la méthode conventionnelle furent obtenus en faisant effectuer la commande par l'opérateur pendant l'avance progressive de la tête annulaire.
Dans le cas particulier, l'opérateur commande la vitesse de manière à maintenir la même couleur sur la surface chauffée d'après sa propre expérience. La. courbe 80 de la figure 5 indique les variations de la dureté de surface le long du rouleau dans le cas d'un traitement thermique conforme à ce qui précède.
En commandant automatiquement le déplacement de la tête annulaire de manière à maintenir une tem- pérature constante et par l'usage des moyens de mesure décrits ci-dessus, on a obtenu une variation de la dureté de surface telle que représentée par la courbe 82 de la figure 5.
Ainsi, il a été fourni un dispositif qui mesure la température d'un corps rayonnant avec exactitude et précision sans référence à la distance du corps à laquelle sont situés les moyens détecteurs. Au moyens de circuits électriques convenables il est possible d'utiliser le dispositif pour commander des moyens de traitement thermique ou d'autres moyens en même temps que pour mesurer la température. Il n'est pas nécessaire de régler les sensiblilités du dispositif manuellement, et ceci est non seulement d'une grande commodité, mais permet aussi d'effectuer des mesures dans des domaines plus étendus et d'utiliser les. sensibilités optima des éléments utilisés pour établir le dispositif.
La structure est équipée d'un système de mesure qui permet d'effectuer les mesures pendant des variations rapides de la température, et est en même temps équipée d'un circuit de commande automatique interne afin de permettre d'effectuer des mesures dans des domaines de température plus éten- dus pour l'application aux circuits de commande. Le dispositif présente une grande diversité d'applications, par exemple, l'enregistrement de la montée de la température de lingots ou de billettes d'acier placés dans un puits chauffé, et en outre il est possible de lire et d'enregistrer les augmentations de température de surface lors du chauffage de lingots à laminer, billettes, et autres matériaux traités thermiquement se déplaçant à grand vitesse.
Enfin, l'impossibilité traditonnelle du réglage de la température dans les cas tels que le traitement thermique de recuite par flamme de gaz ou par induction de parties, soudées ensemble n'existe plus lorsqu'on utilise un dispositif du type décrit ci-dessus.