FR2701112A1 - Appareil d'application de micro-ondes avec mesure de température. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un appareil d'application de micro-ondes sur au moins un produit contenu dans un récipient disposé dans une cavité d'application en liaison avec un guide d'ondes couplé à un générateur de micro-ondes, équipé d'un dispositif de mesure de la température régnant dans la cavité d'application. Selon l'invention, ledit dispositif de mesure de la température est réalisé sous la forme d'un thermomanomètre à dilation de gaz. Application au chauffage de produits soumis à des réactions chimiques en milieu liquide.
Description
La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'application d'une énergie micro-ondes à divers types de produits et notamment à des échantillons soumis à des réactions chimiques en milieu liquide.
Plus particulièrement, l'invention concerne un appareil d'application de micro-ondes sur au moins un produit contenu dans un récipient disposé dans une cavité d'application en liaison avec un guide d'ondes couplé à un générateur de micro-ondes, et équipé d'un dispositif de mesure de la température régnant dans la cavité d'application.
A titre exemple, de tels appareils se trouvent décrits dans les documents de brevets européens EP-A-0 155 893, EP-A-0 156 742, et
EP-A-0 387 161.
EP-A-0 387 161.
Les produits placés au sein de la cavité d'application sont soumis au champ de micro-ondes, afin d'y subir un chauffage rapide par exemple en vue de réaliser une réaction chimique ou toute autre opération physique en milieu liquide sur ledit produit.
A titre d'exemple, ce type d'appareil permet de réaliser des réactions chimiques telles que des réactions de minéralisation, décomposition, hydrolyse, ou encore des opérations physiques telles que dissolution, cristallisation, évaporation et fusion.
Pour mesurer la température d'un liquide contenu dans un récipient soumis à un chauffage, on utilise en général une sonde de type thermocouple plongeant dans ledit liquide. De telles sondes qui sont nécessairement métalliques et reliées par des fils conducteurs à un dispositif de lecture, ne peuvent pas être utilisées pour mesurer la température d'un produit contenu dans un récipient placé dans une cavité d'application de micro-ondes. En effet, de telles sondes métalliques et leurs fils de connexion jouent le rôle d'antennes et émettent donc des micro-ondes hors de la cavité d'application, ce qui présente un réel danger.
Au surplus, ce type de sondes peut présenter un échauffement préjudiciable à la mesure de température.
Pour éviter ce phénomène d'antenne, on a alors envisagé de mesurer la température au moyen de sondes, plongeant dans l'échantillon liquide, constituées de fibres optiques conduisant le rayonnement à un pyromètre optique. Cette méthode de mesure peut paraître séduisante, mais elle reste très limitée et ne permet pas de suivre de façon continue l'évolution de la température d'un produit, par exemple entre la température ambiante et une température de l'ordre de 500"C. En effet, une sonde constituée de fibres optiques ne permet la mesure que dans une plage de températures restreinte, ce qui nécessite plusieurs changements de sondes de mesure.
En outre, lors de la réalisation de la réaction chimique en milieu humide, telles que les minéralisations, le milieu réactionnel est très corrosif ce qui nuit à la fiabilité de la mesure et à la durée de vie des fibres optiques.
La présente invention propose une solution au problème de la mesure de la température d'un produit placé dans une cavité d'application de micro-ondes, qui fait appel à un thermomanomètre à dilation de gaz, permettant ainsi d'écarter tous les inconvénients rencontrés dans la technique antérieure précitée.
Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, le thermomètre à dilatation de gaz comprend un tube capillaire en verre dont l'extrémité inférieure communique avec un réservoir fermé en verre placé dans la cavité d'application, et dont l'extrémité supérieure comporte un transducteur délivrant un signal de sortie représentatif de la température de ladite cavité d'application.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après, notamment en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 illustre schématiquement un appareil d'application de micro-ondes équipé du dispositif de mesure de température selon l'invention, fonctionnant avec une boucle d'asservissement en température, et les figures 2 à 4 illustrent différents modes de réalisation du manomètre surmontant le tube capillaire du dispositif selon l'invention.
Comme son nom l'indique, le thermomanomètre est un thermomètre à variation de pression, c'est-à-dire que son fonctionnement est fondé sur des lois physiques reliant la pression d'un fluide à sa température. Ainsi, il est possible de choisir un fluide qui, dans le domaine de température considérée, reste constamment liquide, constamment gazeux, ou encore en équilibre liquide-vapeur. On se trouve alors respectivement en présence d'un thermomètre à dilatation de liquide, à dilatation de gaz, ou à tension de vapeur.
Dans l'application particulière au domaine des micro-ondes, il est essentiel d'éviter les thermomanomètres à dilatation de liquide ou à tension de vapeur. En effet, chacun d'eux contient nécessairement un liquide qui, lorsqu'il est placé dans un champ de micro-ondes, s'échauffera et viendrait ainsi gravement fausser la mesure de la température de la cavité d'application que l'on désire mesurer.
C'est la raison pour laquelle dans le cas de la présente invention, l'appareil d'application de micro-ondes se trouve équipé nécessairement d'un thermomanomètre à dilatation de gaz.
Le gaz présent dans le thermomanomètre est un gaz sec, choisi par exemple parmi l'air et les gaz neutres ; il sera de préférence constitué par de l'azote. I1 est important de conserver le taux d'humidité aussi bas que possible, correspondant à une température de rosée inférieure à 5"C, car toute présence d'humidité dans le thermomanomètre à gaz pourrait, si elle est trop importante entraîner un phénomène de condensation dans la partie supérieure du thermomanomètre avec le risque de voir des gouttes d'eau de condensation retomber dans le réservoir du thermomanomètre, ce qui fausserait considérablement la mesure de température.
On notera également dans la pratique que plus le gaz utilisé est sec, plus il est possible d'élargir les fourchettes de mesure de température vers les gammes de faibles températures, et ceci avec une bonne linéarité entre les variations de pression et les variations de température.
Pour les raisons déjà évoquées précédemment, tant le réservoir 10 de prise de température que le capillaire 12 qui le surmonte et dont une partie plonge dans la cavité d'application, seront réalisés en verre, et de préférence en Pyrex pour résister aux températures élevées. De surcroit, il s'agit là d'un matériau à faible dilatation thermique.
Le diamètre intérieur du tube capillaire 12 surmontant le réservoir 10 de prise de température sera choisi par l'homme du métier en fonction des considérations suivantes. Ce diamètre devra être suffisamment large pour permettre une transmission rapide et sans à-coup des variations de pression existantes au niveau du réservoir 10 de prise de température. Il devra cependant être suffisamment étroit pour réduire au maximum les volumes morts du dispositif de mesure de température, ce qui permettra d'augmenter la sensibilité et la précision du dispositif.
L'extrémité supérieure du tube capillaire 12 comporte donc un transducteur délivrant un signal de sortie qui sera représentatif de la température mesurée dans la cavité d'application, consécutivement à une variation de pression de l'air contenu dans le réservoir de prise de température. Dans le mode de réalisation schématisé à la figure 1, le transducteur est réalisé sous la forme d'un capteur de pression 14. I1 sera de préférence constitué par un capteur de pression absolu, afin de s'affranchir des variations de la pression atmosphérique. De tels capteurs sont facilement disponibles dans le commerce et présentent une bonne précision ainsi qu'une faible dérive en température. Habituellement le signal de sortie délivré est linéaire en fonction de la pression.
Dans le cas où l'on se satisfera d'un simple affichage de la température il sera possible d'utiliser un manomètre par exemple un manomètre à cadran ou à mercure, comme illustré aux figures 2 à 4.
Dans le cas d'un tel capteur de pression, le rapport du volume mort Vmo au volume chauffé Vch sera de préférence inférieur à 10 % et de préférence encore inférieur à environ 5 %. Le volume chauffé comprend évidemment le volume du réservoir de prise de température ainsi que le volume de la partie du tube capillaire qui se trouve immergé dans la cavité d'application des micro-ondes et qui se trouve donc également chauffé. En ce qui concerne le volume mort Vmo, il conviendra de prendre en considération à la fois le volume du capillaire qui se trouve à l'extérieur de la cavité d'application des micro-ondes ainsi que le volume mort nécessairement présent dans le capteur utilisé, c'est-à-dire en fait le volume de la chambre interne du manomètre.
Dans la pratique, des résultats parfaitement satisfaisants ont pu être obtenus avec un volume chauffé Vch de 600 mm3 et un volume mort Vmo de 25 mm3.
Dans les modes de réalisation illustrés schématiquement aux figures 1 et 2, la partie supérieure du tube capillaire 12 est rendue hermétiquement solidaire d'un capteur de pression 14 qui renvoie un signal électrique représentatif de la pression de gaz dans le tube 12.
En effet, lorsque le thermomanomètre est plongé dans le produit liquide 16 qui est chauffé dans l'applicateur micro-ondes 18, la température du produit 16 est communiquée au gaz contenu dans le réservoir 10. On relèvera que le produit liquide 16 est contenu dans un tube 20, lui-même placé dans un doigt de gant de protection 22. Bien évidemment, les éléments 20 et 22 doivent être réalisés en un matériau perméable aux micro-ondes.
Ainsi, en se dilatant, le gaz échauffé dans le réservoir 10 provoque une élévation de pression, qui est transformée par le capteur 14 en signal électrique. Ce dernier peut ensuite être converti en température.
On a ainsi pu déterminer la relation suivante qui, dans le cas d'un capteur de pression, donne la température finale à mesurer en fonction de différents paramètres dont bien sûr la pression du gaz dans le tube 12
dans laquelle Vg = Volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du
capillaire)
V1 = Volume mort (volume émergent du capillaire + chambre du
capteur de pression) Tg, Po = Température initiale, pression initiale
T1, P1 = Température finale, pression finale, et k est un coefficient compris entre 0 et 1 qui permet de prendre en considération le passage de gaz échauffé du réservoir vers le capillaire.
dans laquelle Vg = Volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du
capillaire)
V1 = Volume mort (volume émergent du capillaire + chambre du
capteur de pression) Tg, Po = Température initiale, pression initiale
T1, P1 = Température finale, pression finale, et k est un coefficient compris entre 0 et 1 qui permet de prendre en considération le passage de gaz échauffé du réservoir vers le capillaire.
Ce coefficient sera par exemple proche de zéro dans le cas d'une transformation adiabatique lente, et se rapprochera de 1 dans le cas d'un chauffage très rapide du produit. Ce coefficient k sera également fonction du diamètre du capillaire ainsi que de la géométrie de l'ensemble du système de mesure.
Bien entendu, ce coefficient k sera déterminé expérimentalement ce qui permettra dans la pratique un étalonnage aisé de l'appareil.
Le capteur de pression peut également être réalisé sous la forme d'un manomètre à réservoir de mercure, comme par exemple illustré à la figure 3.
Dans ce cas la pression du gaz est mesurée par la dénivellation h entre le mercure dans le réservoir et dans le tube capillaire du haut. Le thermomanomètre se comporte alors comme un thermomètre (température proportionnelle à la dénivellation de mercure) à la différence près que le réservoir de mercure ne se trouve pas dans la partie chauffée. De plus, la dénivellation est peu dépendante du diamètre du capillaire de mercure. Une correction de la pression atmosphérique doit être réalisée dans le cas où le capillaire de mercure n'est pas fermé dans sa partie supérieure.
Dans le cas du manomètre à mercure la formule donnée précédemment doit être modifiée pour tenir compte de l'augmentation du volume de gaz lorsque le mercure monte d'une hauteur h dans le capillaire de diamètre d. La formule devient alors toujours en fonction des mêmes paramètres
Selon la variante illustrée à la figure 4, le transducteur utilisé peut également être constitué par un autre capteur de pression particulier, à savoir un thermomètre à index. Cet index peut par exemple être constitué par une goutte de mercure ou de tout autre liquide visible dans le capillaire, qui coulisse dans ce dernier en fonction de la dilatation du gaz dans le réservoir de prise de température. La température du gaz présent dans ce réservoir se trouve donc mesurée par le déplacement de l'index dans le capillaire.
Afin d'avoir une faible variation de la pression au-dessus de l'index, le capillaire supérieur sera soit ouvert, soit fermé sur une chambre d'expansion convenablement dimensionnée. Dans pareil cas, le rapport du volume mort Vmo au volume chauffé Vch sera légérement supérieur que dans le cas précédent, sera par exemple inférieur à environ 30 % et de préférence encore inférieur à environ 20 %. Ce type de capteur de pression peut être utilisé lorsque la température varie dans des plages plus limitées, il fournit cependant une plus grande précision de la mesure.
Dans le cas du thermomètre à index, c'est-à-dire à variation de volume isobare, la formule reliant le déplacement h de l'index dans le capillaire de diamètre d devient la suivante
Tel que cela se trouve représenté à la figure 1 annéxée, le transducteur 14 peut être couplé au générateur de micro-ondes 24, de manière à assurer une régulation de la puissance dudit générateur, réalisant ainsi des cycles contrôlés de température dans le produit 16 à chauffer. Un tel asservissement en température de l'appareillage d'application de micro-ondes peut être réalisé de la façon suivante. Le thermomanomètre se trouve plongé dans le produit liquide chauffé par le champ micro-ondes généré par le magnétron 24 au travers du guide d'ondes 26 dans l'applicateur 18.On notera ici que le guide d'ondes 26 peut être indifféremment associé à une cavité monomode correspondant à l'illustration de la figure 1, ou encore à une cavité multimodes rencontrée dans les fours micro-ondes domestiques.
Le magnétron 24 est alors commandé par une carte électronique 28 comprenant en outre les fonctions de commande de puissance du magnétron, la mise en forme du signal du capteur, l'asservissement en température et la communication avec le programmateur. On peut ainsi en déduire immédiatement la valeur exacte de la température du produit 16.
Cette température sera par exemple affichée sur le programmateur 30. De plus, cette température permet également d'assurer la régulation de la puisance du générateur 24, afin de réaliser des cycles contrôlés de température dans le produit, ces cycles ayant été préalablement enregistrés sur le programmateur 30.
I1 est clair que le thermomanomètre décrit précédemment peut également être utilisé dans un four micro-ondes ménager, de type classique équipé d'un guide d'ondes multimodes. Dans pareil cas, il suffit simplement de prévoir un orifice dans la paroi du four, au travers duquel on fera pénétrer le dispositif de mesure. I1 est également possible de prévoir un piège électromagnétique si nécessaire. Là encore il sera possible, soit d'afficher simplement la température, soit de contrôler la puissance du générateur micro-ondes du four par l'intermédiaire d'un circuit électronique adapté.
I1 convient enfin de noter que lors de la réalisation du thermomanomètre à dilatation de gaz, il conviendra cependant de prendre quelques précautions, et ceci principalement afin d'éviter la présence de traces trop importante d'humidité. C'est ainsi qu'il est conseillé d'introduire le gaz dans le dispositif de mesure après y avoir fait régner un vide poussé ; toujours dans la même préoccupation, le capteur de pression sera monté de façon parfaitement hermétique sur la partie supérieure du tube capillaire, et ceci par tous moyens évitant durablement toute libération de gaz et en particulier de vapeur d'eau. En fonction du matériau utilisé il sera possible d'utiliser des colles judicieusement choisies ou éventuellement des opérations de brasage qui au niveau des jonctions réalisées ne libéreront pas de vapeur d'eau ou de tout autre gaz.
Claims (12)
1. Appareil d'application de micro-ondes sur au moins un produit contenu dans un récipient disposé dans une cavité d'application en liaison avec un guide d'ondes couplé à un générateur de micro-ondes, équipé d'un dispositif de mesure de la température régnant dans la cavité d'application, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure de la température est réalisé sous la forme d'un thermomanomètre à dilation de gaz.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le thermomanomètre à dilation de gaz comprend un tube capillaire en verre dont l'extrémité inférieure communique avec un réservoir fermé en verre placé dans la cavité d'application, et dont l'extrémité supérieure comporte un transducteur délivrant un signal de sortie représentatif de la température de ladite cavité d'application.
3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le thermomanomètre à dilatation de gaz contient un gaz sec, choisi parmi l'air et les gaz neutres, en particulier l'azote.
4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit gaz présente une température de rosée inférieure à 5"C.
5. Appareil selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le transducteur est couplé au générateur du micro-ondes de manière à assurer une régulation de la puissance dudit générateur pour réaliser des cycles contrôlés de température dans ledit produit.
6. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit transducteur est un capteur de pression délivrant un signal électrique.
7. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit transducteur est un manomètre à réservoir de mercure.
8. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit transducteur est un tube capillaire à index.
9. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le rapport du volume mort (Vmo) au Volume chauffé (Vch) est inférieur à environ 10 %, et de préférence inférieur à environ 5 %.
10. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport du volume mort (Vmo) au volume chauffé (Vch) est inférieur à environ 30 Ó et de préférence inférieur à environ 20 %.
I I. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température à déterminer T est donnée par la relation suivante
dans laquelle Vg = Volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du
capillaire) V1 = Volume mort (volume émergent du capillaire + chambre du
capteur de pression) To, Po = Température initiale, pression initiale T11 P1 = Température finale, pression finale, et k est un coefficient compris entre 0 et 1.
12. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que a température à déterminer T est donnée en fonction de la hauteur h du mercure dans le capillaire de diamètre d est donnée par la relation
dans laquelle Vg = Volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du
capillaire)
V1 = Volume mort (volume émergent du capillaire + chambre du
capteur de pression) To, Po = Température initiale, pression initiale Tl, P1 = Température finale, pression finale, et k est un coefficient compris entre 0 et 1.
13. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la température à déterminer T est donnée en fonction du déplacement h de l'index dans le capillaire de diamètre d est donné par la relation
dans laquelle Vg = Volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du
capillaire)
V1 = Volume mort (volume émergent du capillaire + chambre du
capteur de pression) Tg, Po = Température initiale, pression initiale T1, P1 = Température finale, pression finale, et k est un coefficient compris entre 0 et 1.
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