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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.
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Pour qu'un tel appareil soit utilisable pratiquement avec efficacité, il doit satisfaire aux conditions suivantes .: a) être stable ; indépendant de la température ambiante et de ses variations; c) sensible ; de réponse rapide.
Les deux premières conditions sont satisfaites en grande partie par la construction spéciale des thermopiles les plus récentes.
L'appareil selon ltinvention tend à améliorer encore les conditions a) et b) ci-dessus, tout en satisfaisant de plus aux conditions c) et d), qui ne sont pas, ou que très imparfaitement remplies par les pyromètres connus.
Ceux-ci comprennent en général, un miroir ou une lentille, pour concentrer les radiations thermiques à mesurer sur les soudures réceptrices de la thermopile. Dans le cas d'un miroir, une fenêtre munie d'une glace est prévue pour protéger le miroir. De ce fait, dans les deux cas, 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 surfont diminue la sensibilité et augmente l'inertie de ltappareil quant à son temps de réponse.
L'appareil selon l'invention, est caractérisé notam- ment par le fait qu'il comprend un tube à surface interne réfléchissante, collectant l'énergie thermique rayonnée dans le prolongement de son extrémité externe et la guidant vers les soudures réceptrices du thermo- couple, une enveloppe qui entoure l'ensemble de la pile et ce tube collec- teur au moins dans sa partie voisine de la zone dans laquelle sont situées les soudures réceptrices, étant munie de canaux pour permettre la circula- tion d'un fluide de refroidissement et maintenir ainsi à une température constante l'ensemble de la pile de même que la partie adjacente du tube collecteur.
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Le dessin annexé représente schématiquement et à titre d'exemple, diverses formes de réalisation de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe axiale d'une première forme d'exécution;
La fig: 2 est une vue partielle, en coupe, d'une variante;
Les figs. 3, 4 et 5 d'une part, 6, 7 et 8 de l'autre, 'représentent deux variantes d'un perfectionnement permettant l'étalonnage de la thermopile, les figs. 3 et 6étant des vues en plan, les figs. 4 et 7 des coupes respectivement par IV-IV (fig. 3) et VII-VII (fig. 6) et les figs. 5 et 8 étant des schémas de montage électrique;
La fig. 9 montre une autre variante de l'ensemble de la thermopile.
L'appareil de réception et de mesure d'une énergie thermique rayonnée selon l'invention, comprend à la manière connue , une pile 1 comportant plusieurs thermocouples 2 (dont un seul visible au dessin), constitués chacun de deux lames métalliques 3 et 4 réunies à leurs extré- mités par soudure. Ces lames 3 et 4 sont en des métaux différents, par exemple l'une en manganine et l'autre en constantan.
A la manière également connue, chaque paire de lames 3 et 4 des thermocouples est fixée sur une pièce massive 5, bonne conductrice.de chaleur, l'ensemble des lames 3 et 4 et de la pièce 5 étant monté dans un corps central 6 en métal bon conducteur de chaleur. Bien entendu, des lames 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 con- nectés électriquement en série. Les bornes terminales 21 des thermocouples sont reliées par des conducteurs 22 à un organe régulateur ou contrôleur,
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enregistreur ou indicateur, par exemple un galvanomètre (non représenté).
8 Une enceinte/entoure toute la pile 1, à l'exclusion d'une zone 9 dans laquelle sont situées les soudures réceptrices 10 de la thermopile.
Conformément à l'invention, dans le prolongement de l'ouverture 11 prévue dans l'enceinte 8, est fixé un tube 12 à surface interne 13 réfléchissante, c'est-à-dire constituant un miroir protégé contre la corrosion, par exemple par un dépôt antiocorresit d'or ou d'autre métal. Ce tube 12 disposé dans l'axe des soudures réceptrices 10, consti- tue un.collecteur de l'énergie thermique, rayonnée dans le prolongement de son extrémité externe 14. En effet, grâce à sa surface interne réfléchis- sante 13jil capte intégralement tout rayon qui tombe sur son ouverture 14, quel que soit son angle d'incidences Il remplace ainsi toute lentille ou fenêtre de protection habituellement utilisée dans les pyromètres de construction connue.
Dans les exemples représentés, le tube collecteur 12 est de forme cylindrique, mais il pourrait présenter d'autres formes, par exemple une forme légèrement conique.
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 en formant autour de ce tube et de ce collecteur des canaux 16 de circulation d'un fluide de refroidissement. L'enveloppe 15 est raccor- dée, par une embouchure 17 par exemple, à un tube flexible d'amenée du fluide de refroidissement. Elle 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 refroidissement.
Le fluide de refroidissement, amené autour de l'en- ceinte 8 et du tube collecteur 12, tend à maintenir à une température sensiblement constante, l'enceinte 8 et le corps central 6 de la pile, de même que le tube collecteur 12.
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Cependant, l'enveloppe 15, au lieu d'entourer le tube 12 sur la plus grande partie de sa longueur, pourrait n'entourer que sa partie voisine de l'enceinte 8. Le refroidissement de cette partie du tube collecteur 12 permettrait déjà d'éviter un échauffement de la zone 9 entourant les soudures réceptrices 10, évitant ainsi tout mouvement de convection de l'air autour des soudures réceptrices 10.
Lorsque ce pyromètre est utilisé, les soudures récep- trices 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 mainte- nues, elles aussi, à température constante.
Dans l'exemple représenté, le fluide de refroidisse- @ ment utilisé est, de préférence, un fluide gqzeux, par exemple de l'air.
Toutefois lorsque 1 'appareil doit être utilisé pour des mesures calorifi- ques sous vide, l'orific:; 19 peut être fermé et un ajutage de sortie peut être prévu en un point quelconque de l'enveloppe 15. Dans ce cas, le fluide de refroidissement pourra être constitué soit par un fluide gazeux, aoit par un liquide, par exemple de l'eau.
Il est avantageux d'autre part pour récupérer toutes les radiations pénétrant dans le tube et en transmettre les effets à tous les éléments de la thermopile, de fermer le tube collecteur 12 à son extrémité interne (voif tige 2) par une membrane 23 en matière bonne conductrice de la chaleur, disposée de manière à être en contact thermique avec les soudures réceptrices 10. Cette membrane 23 est de préférence noircie sur sa face dirigée du côté de l'extérieur, sa face interne étant
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revêtue d'une couche isolante au point de vue électrique, mais permettant toutefois une bonne transmission calorifique vers les soudures réceptrices 10. Elle peut être constituée par une feuille d'argent, une feuille d'alu- minium oxydée sur sa face interne, etc.:.
Il résulte de ce qui précède que l'appareil suivant l'invention présente les.avantages suivants en ce qui concerne sa rapidité de réponse :
1 - les dimensions et la disposition du tube 12 au voisinage des soudures chaudes assurent de manière efficace le refroidis- sement de celles-ci par conductibilité de l'air ambiant, lui-même maintenu à température constante par la circulation defluide autour du tube 12.
2 - Le rapprochement des sources chaudes 10 et froides 20 de la masse 6 à grande capacité calorifique favorise l'écoulement ther- mique aussi bien lors de l'irradiation qu'en absence de radiation.
3 - La disposition d'une membrane métallique noircie 23., au-dessus des soudures chaudes 10 assure leur contact thermique avec l'enceinte 8 et le tube 12 et augmente encore la rapidité de réponse de la thermopile.
D'une façon générale, 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 (atmos- phère 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.
La suppression de toute lentille ou fenêtre de protec- tion, permet. d'améliorer de façon importante la sensibilité.
L'appareil suivant l'invention permet, en outre, d'opérer des mesures dans des conditions de surpression.
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Comme il peut être construit dans des dimensions extrêmement réduites, il peut être disposé à proximité immédiate de la source chaude à mesurer et presque en contact avec elle. Il peut aussi être placé à l'intérieur de machines thermiques telles que, par exemple, des turbines à gaz pour lesquelles la température de fonctionnement a/une très grande importance et ne doit, en aucun cas, dépasser une valeur limite supérieure donnée.
Il peut également 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 émises par l'aubage du distri- buteur de la turbine. Dans ce cas, un certain volume d'air est dérivé du compresseur du réacteur pour être utilisé comme fluide de refroidisse- ment de l'appareil et introduit dans la chambre de combustion par le canal annulaire 19.Une telle disposition permet d'obtenir une mesure instan- tanée de la température des points les plusexposés 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 à l'intérieur de fours travaillant sous atmosphères de protection ou sous pression.
Les figs. 3 à 5 d'une part, 6 à 8 de l'autre, montrent deux aménagements de la membrane 23 permettant de l'isoler électriquement du corps de'l'appareil pour y faire circuler un courant électrique en pro- voquant un échauffement transmis aux soudures électriques 10. Cette dispo- sition permet, d'une part, le contrôle permanent de l'étalonnage de la thermople, d'autre part le contrôle de l'énergie rayonnée tombant sur la membrane 24.
En effet si la membrane n'est soumise à aucune différen- ce de potentiel auxiliaire, une énergie rayonnée "X" frappant la membrane lors d'une mesure de radiation, provoque une différence de potentiel "Y" aux bornes de la thermopile'
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Pour connaitre la valeur de X il suffira de faire circuler un courant dans la membrane 23 et de le régler de manière à obtenir la même différence de potentiel Y aux bornes de la thermopile.
En mesurant la quantité d'électricité nécessaire appliquée aux bornes de la membrane 23 pour obtenir Y, on aura la valeur de X.
Dans la réalisation des figs. 3 à 5, la membrane proprement dite 23 est oortée par les secteurs circulaires 24 et 24' d'une rondelle métallique divisée en trois éléments 24, 24' et 24" isolés électriquement les uns des autres par une pièce isolante 25 .Les secteurs
24 et 24' sur lesquels repose la- membrane 25 (elle-même en contact ther- mique avec les lames 3 et 4 du thermocouple) sont alors connectés aux bornes 26-261 d'un circuit comprenant une source électrique 27, un régula- teur 28, un ampèremètre 29 et un/voltmère 2@.
Dans la réalisation des figs 6 à 8 la rondelle 23 est remplacée par une série de lamelles 23a fixées à l'extrémité de tiges support élastiques 30 les maintenant tendues et connectées entre elles en série ou en parallèles. Les tiges support 30 sont portées par une rondel- le isolante 25 et deux d'entre elles sont connectées aux bornes 26-26' d'un circuit analogue au procédent.
La fig. 9 montre une application de la thermopile pour la mesure précise du courant traversant un conducteur électrique 31 qui constitue l'émetteur des radiations captées par les soudures 10 du thermo- couple. Le,tube 12 des figs. 1 et 2 est alors remplacé par un tube 32 disposé parallèlement aux soudures et au conducteur 31 et concentrant sur elles les radiations émises par le conducteur. Ce tube 32 présentera à cet effet une ouverture 33 dans laquelle les soudures sont engagées. Les indications recueillies par l'indicateur aucuel sont connectés les conduc- teurs 22 permettent de mesurer la quantité d'électricité qui traverse le conducteur 31.
On peut ainsi en particulier, effectuer le contrôle instantané! de la température d'un fil 31 animé d'un mouvement de translation.
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The present invention relates to an apparatus for receiving and measuring radiated thermal energy comprising a stack formed of thermocouples, the welds of which are distributed over two opposite faces of the stack, this stack having a central body which is a good conductor of heat intended for absorbing and dissipating the calories absorbed by the receiving welds of the thermocouples, an enclosure surrounding the entire stack excluding the area in which the receiving welds are located.
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In order for such an apparatus to be usable practically effectively, it must satisfy the following conditions: a) be stable; independent of ambient temperature and its variations; c) sensitive; quick response.
The first two conditions are largely satisfied by the special construction of the more recent thermopiles.
The apparatus according to the invention tends to further improve the conditions a) and b) above, while also satisfying the conditions c) and d), which are not, or only very imperfectly, met by known pyrometers.
These generally include a mirror or lens, to concentrate the thermal radiation to be measured on the receiving welds of the thermopile. In the case of a mirror, a window provided with a glass is provided to protect the mirror. Therefore, in both cases, a good part of the thermal radiation is either absorbed by the glass or the lens, or reflected by them, which can considerably falsify the measurement result if the lens or the glass become dirty during the measurement. operation, but surfont decreases the sensitivity and increases the inertia of the device with regard to its response time.
The apparatus according to the invention is characterized in particular by the fact that it comprises a tube with a reflective internal surface, collecting the thermal energy radiated in the extension of its external end and guiding it towards the receiving welds of the thermo. torque, an envelope which surrounds the whole of the cell and this collecting tube at least in its part adjacent to the zone in which the receiving welds are located, being provided with channels to allow the circulation of a fluid of cooling and thus maintain at a constant temperature the entire cell as well as the adjacent part of the collecting tube.
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The accompanying drawing shows schematically and by way of example, various embodiments of the apparatus according to the invention.
Fig. 1 is an axial sectional view of a first embodiment;
FIG: 2 is a partial view, in section, of a variant;
Figs. 3, 4 and 5 on the one hand, 6, 7 and 8 on the other, 'represent two variants of an improvement allowing the calibration of the thermopile, FIGS. 3 and 6 being plan views, FIGS. 4 and 7 of the sections respectively by IV-IV (fig. 3) and VII-VII (fig. 6) and figs. 5 and 8 being electrical circuit diagrams;
Fig. 9 shows another variant of the thermopile assembly.
The apparatus for receiving and measuring radiated thermal energy according to the invention comprises, in the known manner, a battery 1 comprising several thermocouples 2 (only one of which can be seen in the drawing), each consisting of two metal strips 3 and 4 joined at their ends by welding. These blades 3 and 4 are made of different metals, for example one of manganin and the other of constantan.
In the also known manner, each pair of blades 3 and 4 of the thermocouples is fixed to a solid part 5, which is a good conductor of heat, the assembly of the blades 3 and 4 and of the part 5 being mounted in a central body 6 in metal good conductor of heat. Of course, blades 7, made of an electrically insulating material, are interposed between part 5 and blades 3 and 4 on the one hand, and between said blades 3 and 4 and central body 6 on the other hand. A number of thermocouples 2 are arranged side by side and electrically connected in series. The terminal terminals 21 of the thermocouples are connected by conductors 22 to a regulator or controller,
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recorder or indicator, for example a galvanometer (not shown).
8 An enclosure / surrounds the entire stack 1, excluding a zone 9 in which the receiving welds 10 of the thermopile are located.
According to the invention, in the extension of the opening 11 provided in the enclosure 8, is fixed a tube 12 with a reflecting internal surface 13, that is to say constituting a mirror protected against corrosion, for example by an anti-corrosion deposit of gold or other metal. This tube 12 arranged in the axis of the receiving welds 10, constitutes a collector of thermal energy, radiated in the extension of its external end 14. In fact, thanks to its internal reflecting surface 13jil fully captures everything. ray which falls on its opening 14, whatever its angle of incidence. It thus replaces any lens or protective window usually used in pyrometers of known construction.
In the examples shown, the collecting tube 12 is cylindrical in shape, but it could have other shapes, for example a slightly conical shape.
As can be seen in the drawing, an envelope 15 surrounds the enclosure 8 and this collector tube 12 over the greater part of its length, forming around this tube and this collector channels 16 for the circulation of a cooling fluid. . The casing 15 is connected, by a mouth 17 for example, to a flexible tube for supplying the cooling fluid. It has a portion 18 of tubular shape arranged concentrically around the collector tube 12 — The annular space 19 formed between the collector tube 12 and the tubular part 18, at their end, forms an outlet for the cooling fluid.
The cooling fluid, brought around the enclosure 8 and the collecting tube 12, tends to maintain a substantially constant temperature, the enclosure 8 and the central body 6 of the cell, as well as the collecting tube 12.
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However, the casing 15, instead of surrounding the tube 12 over the greater part of its length, could surround only its part adjacent to the enclosure 8. The cooling of this part of the collector tube 12 would already allow d 'avoid heating of the zone 9 surrounding the receiving welds 10, thus avoiding any convection movement of the air around the receiving welds 10.
When this pyrometer is used, the receiving welds 10 located on one of the faces of the stack absorb a certain quantity of calories which are transported by the blades 3 and 4 to the central part of the stack 1. These calories are then transferred. dissipated in the central body 6 and, from there, in the enclosure 8. The current of fluid around the enclosure 8 gradually removes the excess calories which have been transported there. As a result, the welds 20, known as "cold" welds and which are located on the face of the stack 1 opposite to that facing the receiving welds 10 ("hot" welds), are also maintained at temperature. constant.
In the example shown, the cooling fluid used is preferably a gaseous fluid, for example air.
However, when the apparatus is to be used for calorific measurements under vacuum, the port :; 19 can be closed and an outlet nozzle can be provided at any point of the casing 15. In this case, the cooling fluid can be constituted either by a gaseous fluid, or by a liquid, for example water. .
On the other hand, it is advantageous to recover all the radiation entering the tube and to transmit its effects to all the elements of the thermopile, to close the collecting tube 12 at its internal end (see rod 2) by a membrane 23 made of material. good conductor of heat, arranged so as to be in thermal contact with the receiving welds 10. This membrane 23 is preferably blackened on its face directed towards the outside, its internal face being
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coated with an insulating layer from an electrical point of view, but nevertheless allowing good heat transmission to the receiving welds 10. It can be constituted by a silver foil, an aluminum foil oxidized on its internal face, etc. .:.
It follows from the foregoing that the apparatus according to the invention has the following advantages with regard to its rapidity of response:
1 - the dimensions and the arrangement of the tube 12 in the vicinity of the hot welds effectively cool the latter by conductivity of the ambient air, itself maintained at constant temperature by the circulation of fluid around the tube 12 .
2 - The bringing together of the hot 10 and cold 20 sources of the mass 6 with high calorific capacity promotes the heat flow both during irradiation and in the absence of radiation.
3 - The arrangement of a blackened metal membrane 23., above the hot welds 10 ensures their thermal contact with the enclosure 8 and the tube 12 and further increases the response speed of the thermopile.
In general, the apparatus described has many advantages over pyrometers of known construction.
Thus, the cooling of the enclosure 8 and of the collector tube 12 makes it possible to increase the stability of the thermopile, as well as the stability of the surrounding environment. In fact, the air or the gas (any atmosphere) surrounding the receiving welds 10 will be maintained at constant temperature and there will be no convection movement of this air which could cause measurement irregularities.
The removal of any lens or protective window allows. significantly improve sensitivity.
The apparatus according to the invention also makes it possible to carry out measurements under conditions of overpressure.
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As it can be built in extremely small dimensions, it can be placed in the immediate vicinity of the hot source to be measured and almost in contact with it. It can also be placed inside thermal machines such as, for example, gas turbines for which the operating temperature is very important and must in no case exceed a given upper limit value.
It can also be placed in the vicinity of the outlet of the combustion chambers of a jet engine so that its collector tube 12 captures the radiation emitted by the blading of the distributor of the turbine. In this case, a certain volume of air is diverted from the compressor of the reactor to be used as cooling fluid for the apparatus and introduced into the combustion chamber through the annular channel 19. Such an arrangement makes it possible to obtain a instantaneous measurement of the temperature of the most exposed points of the distributor while ensuring complete protection of the thermopile against carbon deposits resulting from combustion.
One of the many other areas of use is the measurement of very precise areas inside furnaces working under protective atmospheres or under pressure.
Figs. 3 to 5 on the one hand, 6 to 8 on the other, show two arrangements of the membrane 23 enabling it to be electrically insulated from the body of the apparatus in order to circulate an electric current therein, causing transmitted heating. to electrical welds 10. This arrangement allows, on the one hand, the permanent control of the calibration of the thermople, and on the other hand, the control of the radiated energy falling on the membrane 24.
In fact, if the membrane is not subjected to any difference in auxiliary potential, a radiated energy "X" striking the membrane during a radiation measurement, causes a potential difference "Y" at the terminals of the thermopile.
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To know the value of X, it will suffice to make a current circulate in the membrane 23 and to adjust it so as to obtain the same potential difference Y at the terminals of the thermopile.
By measuring the necessary quantity of electricity applied to the terminals of the membrane 23 to obtain Y, we will have the value of X.
In the realization of figs. 3 to 5, the actual membrane 23 is oortée by the circular sectors 24 and 24 'of a metal washer divided into three elements 24, 24' and 24 "electrically isolated from each other by an insulating part 25.
24 and 24 'on which the membrane 25 rests (itself in thermal contact with the blades 3 and 4 of the thermocouple) are then connected to terminals 26-261 of a circuit comprising an electric source 27, a regulator. tor 28, an ammeter 29 and a / voltmere 2 @.
In the embodiment of FIGS. 6 to 8, the washer 23 is replaced by a series of strips 23a fixed to the end of elastic support rods 30 keeping them stretched and connected together in series or in parallel. The support rods 30 are carried by an insulating washer 25 and two of them are connected to terminals 26-26 'of a circuit similar to the procedure.
Fig. 9 shows an application of the thermopile for the precise measurement of the current passing through an electrical conductor 31 which constitutes the emitter of the radiations picked up by the welds 10 of the thermocouple. The, tube 12 of figs. 1 and 2 is then replaced by a tube 32 arranged parallel to the welds and to the conductor 31 and concentrating on them the radiation emitted by the conductor. This tube 32 will have for this purpose an opening 33 in which the welds are engaged. The indications collected by the indicator to which the conductors 22 are connected make it possible to measure the quantity of electricity which passes through the conductor 31.
One can thus in particular, carry out the instantaneous control! the temperature of a wire 31 driven by a translational movement.