CA2421598A1 - Dispositif pour la mesure des echanges de quantites de chaleur en regime non stationnaire - Google Patents
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Abstract
Le dispositif (10) pour la mesure des échanges de quantités de chaleur en régime non stationnaire comporte un boîtier (11) de forme allongée ayant une extrémité de mesure (12) fermée et une extrémité de raccordement (13) ainsi qu'une cavité centrale (14). La cavité centrale (14) contient une cellule de mesure (15) et des organes de raccordement électrique (16). Le boîtier (11) se prolonge par un doigt creux (17) qui contient en partie au moins le cellule de mesure (15) qui se compose d'un élément sensible thermofluxmétrique (18) pris en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice (20). Les surfaces de contact des pièes thermiquement conductrices (19, 20) sont revêtues chacune d'une couche d'or, de manière à réaliser une liaison thermique intime avec l'élément sensible thermofluxmétrique (18).
Description
DISPOSITIF POUR LA MESURE DES ÉCHANGES DE QUANTITÉS DE
CHALEUR EN RÉGIME NON STATIONNAIRE
Domaine technique La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des échanges de quantités de chaleur en régime non stationnaire, ce régime ayant une dynamique de faible niveau noyée dans un environnement fortement perturbé
par des champs thermiques importants, ledit dispositif comportant un boîtier allongé pourvu d'une cavité centrale, d'une extrémité de mesure et d'une extrémité de raccordemént, l'extrémité de mesure étant fermée et la cavité
centrale contenant, d'une part, une cellule de mesure et, d'autre part, des organes de raccordement électrique, ladite cellule de mesure comprenant au moins un élément sensible thermofluxmétrique disposé en sandv~rich entre une première pièce thermiquement conductrice et une seconde pièce thermiquement conductrice.
Technique antérieure Un tel dispositif permet de mesurer en temps réel les quanfiités de chaleur générées lors de modifications rhéologiques de matières en cours de transformation, telles que par exemple des matières synthétiques au cours d'un processus de plastification dans une machine d'extrusion ou d'injection.
L'information recueillie est significative de l'état de la matière à un instant donné, notamment de sa pression, de sa température, de son écoulement visqueux ou, le cas échéant, de son changement de phase, ou de sa dégradation lors d'un autre processus de transformation.
II est connu que les données des capteurs, notamment celles relatives à la température, à la pression et à la viscosité sont susceptibles de fournir des informations sur l'état de la matière, mais il est complexe d'obtenir, en temps réel, une information locale complète sur l'état rhéologique de cette matière en cours de transformation à un instant donné.
On sait d'expérience que l'ensemble de ces informations peut être fourni par des capteurs dits de flux thermique moyennant un traitement informatique approprié des signaux délivrés par ces capteurs. Les grandeurs physiques prëcédemment énoncées se traduisent toutes par des échanges de quantités de chaleur, c'est-à-dire que tout phénomène rhéologique dont on peut ramener l'évolution à une grandeur thermique est détectable.
La plupart des capteurs de flux thermiques existants ont été créés pour mesurer principalement des flux du type bilan thermique représentatifs des échanges thermiques entre la matière et son environnement. Les flux thermiques engendrés au sein de la matière lors de modifications rhéologiques locales étant très faibles par rapport aux flux issus des échanges avec l'environnement, ils sont donc noyés dans un signal de niveau important qu'il faut traiter pour pouvoir en extraire les informations recherchées. Ceci est une méthode lourde et onéreuse et il apparaît complexe d'intégrer couramment de tels dispositifs dans un processus industriel pour exécuter un contrôle en ligne.
Or, dans ce type d'application, c'est la dynamique des transformations de la ~0 matière qui est primordiale et non le bilan thermique. C'est pourquoi on a développé un capteur thermofluxmétrique répondant à ces impératifs et qui a fait l'objet de la demande internationale de brevet publiée sous le numéro WO
00103431 et ayant pour titre : Dispositif de mesure des échanges de quantités de chaleur en régime variable, non stationnaire ou transitoire .
?5 Ce dispositif comporte une cellule de mesure comprenant au moins un élément sensible thermofluxmétrique disposé en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice et une seconde pièce thermiquement conductrice. La cellule de mesure comporte une base 30 circulaire plane qui est maintenue en contact par des moyens de compression mécaniques contre la surface intérieure du fonds d'un corps dans lequel est disposée la cellule de mesure.
De ce fait, les deux pièces qui prennent en sandwich ledit élément sensible sont en contact direct avec le corps du dispositif qui est lui-même lié à
l'environnement de la matière à contrôler.. II en résulte que ce dispositif est agencé pour mesurer les échanges de quantités de chaleur entre la matière à
contrôler et son environnement immédiat. A titre d'exemple, le dispositif est apte à mesurer les échanges de quantités de chaleur entre le fourreau d'une machine d'injection et la matière synthétique elle-même en cours de transformation, qui circule à l'intérieur de ce fourreau en zone fondue. II
est évident que des échanges thermiques s'effectuent en permanence entre la matière et son environnement immédiat de sorte que les mesures effectuées par ce dispositif ne permettent pas de contrôler de façon efifiicace et fiable l'évolution de la matière en cours de plastification en zone fondue.
Exposé de l'invention La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients en permettant d'effectuer un contrôle précis de l'évolution de la matière en cours de transformation par une simple mesure d'échanges de quantités de chaleur correspondant non plus aux échanges dus au flux résultant du bilan thermique entre la matière et son environnement, mais exclusivement aux échanges locaux entre la matière et un élément thermique de référence.
Ce but est atteint par le dispositif tel que défini en préambule et caractérisé en ce que Ladite première pièce thermiquement conductrice est en contact avec au moins une surFace dudit boitier, et en ce que ladite seconde pièce thermiquement conductrice est isolée dudit boîtier et constitue une capacité
thermique constante.
De ce fait, l'élément sensible de type thermofluxmétrique est disposé entre ladite première pièce, qui constitue une électrode thermique en contact avec le milieu à contrôler, et ladite seconde pièce, qui constitue une capacité
thermique déterminée.
Par ces moyens, on mesure des échanges de quantités de chaleur, non plus entre la matière à contrôler et son environnement immédiat, mais entre la matière à contrôler et une capacité thermique de référence parfaitement S déterminée, intégrée à 1a cellule de mesure et thermiquement isolée du boîtier du dispositif.
Lorsqu'il se produit une modification rhéologique locale au sein de la matière se traduisant par une absorption, une restitution ou une production d'énergie sous forme thermique, des quantités de chaleur sont échangées avec la capacité thermique du dispositif de mesure en traversant l'élément sensible thermofluxmétrique. Les quantités de chaleur se stockent dans fa capacité
thermique du dispositif, dont la température s'élève jusqu'à ce qu'elle soit équilibrée avec celle de la matière locale.
Lorsque le phénomène n'est plus exothermique mais endothermique, la capacité thermique du dispositif déstocke, en sens inverse, les quantités de chaleur qui sont échangées avec la matière en traversant l'élément sensible thermofluxmétrique, et ceci jusqu'au prochain équilibre thermique local.
La dynamique de ces échanges thermiques focaux est détectée par l'élément sensible thermofluxmétrique qui génère un signal électrique significatif de ces échanges, et ceci en temps réel.
Le signal électrique obtenu est non stationnaire. II fournit une information, en temps réel, sur la dynamique des modifications rhéologiques locales de la matière, et ceci dans un environnement fortement perturbé notamment par des échanges d'énergie thermique à très haut niveau entre la matière et son environnement.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l'extrémité de mesure du boîtier est sensiblement plane et l'une des extrémités de ladite première pièce thermiquement conductrice est au moins partiellement en contact avec une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
De façon avantageuse, ladite première pièce thermiquement conductrice 5 comporte un talon pourvu d'une surface de contact dont la géométrie correspond à celle d'une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
Selon un premier mode de réalisation, ladite surface de contact dudit talon de ladite première pièce thermiquement conductrice est circulaire.
Selon un second mode de réalisation, l'extrémité de mesure du boîtier est sensiblement tronconique et l'une des extrémités de ladite première pièce thermiquement conductrice est au moins partiellement en contact avec une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
Dans le cadre de ce second mode de réalisation, ladite première pièce thermiquement conductrice comporte un talon pourvu d'une surface de contact, cette surface de contact étant en appui contre une surface intérieure de même géométrie de ladite extrémité de mesure tronconique.
De façon préférentielle, l'élément sensible thermofluxmétrique ainsi que ladite première pièce thermiquement conductrice et ladite seconde pièce thermiquement sont revêtus d'une couche d'or, au moins sur leurs surfaces communes, de manière à assurer par diffusion de la couche d'or un contact thermique intime entre les composants concernés.
Selon une construction particulièrement simple, efficace et avantageuse le boîtier comporte, du côté de son extrémité de mesure, un doigt creux dont l'épaisseur est réduite par rapport à celle du reste du corps de manière à
présenter une importante résistance thermique axiale, la cellule de mesure étant essentiellement logée dans ce doigt.
La cellule de mesure est de préférence maintenue au fond du doigt creux par des moyens de compression agencés pour assurer un plaquage de ladite première pièce thermiquement conductrice contre la surface intérieure de l'extrémité de mesure.
D'une manière très intéressante pour des raisons constructives et fonctionnelles, la section droite du doigt creux est circulaire, ladite première pièce thermiquement conductrice a une section semi-cylindrique dont !e diamètre est sensiblement égal au diamètre de la surface intérieure du doigt creux, et la seconde pièce thermiquement conductrice a une section semi-cylindrique dont le diamètre est inférieur au diamètre de la surface intérieure du doigt creux.
Description sommaire des dessins La présente invention sera mieux comprise en référence à 1a description de divers modes de réalisation et des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale partielle d'une première forme de réalisation de l'invention du dispositif selon l'invention, - la figure 2A représente une vue partielle agrandie et en coupe longitudinale de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 1, - la figure 2B représente une vue partielle agrandie et en coupe transversale selon la ligne I-I, de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 1, - fa figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'une deuxième forme de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 4A représente une vue partielle agrandie et en coupe longitudinale de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 3, - la figure 4B représente une vue partielle agrandie et en coupe transversale, selon la ligne II-II, de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 3, - la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'une troisième forme de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 6 est une vue partielle agrandie de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 5, et - les figures 7A et 7B représentent des vues respectivement de dessus et en coupe longitudinale de l'élément sensible thermofluxmétrique de la cellule de mesure logée dans l'extrémité de mesure du dispositif de l'invention.
Maniéres de réaliser l'invention En référence aux figures 1, 2A et 2B, le dispositif 10 selon l'invention comporte un boîtier 11 de forme allongée qui comporte une extrémité de mesure 12 fermée, une extrémité de raccordement 13 ainsi qu'une cavité
centrale 14. Cette cavité centrale 14 contient, d'une part, une cellule de mesure 15 et, d'autre part, des organes de raccordement électrique 16. Le boîtier 11 se prolonge, du côté de l'extrémité de mesure 12, par un doigt creux 17, de section avantageusement circulaire, qui contient en partie au moins ladite cellule de mesure 15.
Cette cellule de mesure 15 se compose d'un élément sensible thermofluxmétrique 18 qui est pris en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice 19, qui constitue une sorte d'électrode thermique, et une seconde pièce thermiquement conductrice 20, qui constitue une capacité thermique constante appelée capacité thermique de référence: Les surfaces de contact de la première pièce thermiquement conductrice 19 et de la seconde pièce thermiquement conductrice 20 sont revêtues chacune d'une couche d'or, de manière à réaliser une liaison thermique intime avec l'élément sensible thermofluxmétrique 18. Les deux pièces thermiquement conductrices 19 et 20 sont liées entre elles par des vis 21 réalisées en un matériau thermiquement peu conducteur.
Dans l'exemple de réalisation décrit et représenté par les figures, ladite première pièce thermiquement conductrice 19 a une section sensiblement semi-circulaire et est pourvue à son extrémité libre d'un talon 19a de section sensiblement circulaire qui comporte une surface plane 19b de forme circulaire prenant appui sur la surface intérieure 17a du doigt creux 17. Le diamètre de ce talon est inférieur ou égal au diamètre intérieur dudit doigt creux 17. De façon similaire, le diamètre de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 est inférieur au diamètre intérieur dudit doigt creux 17 afin que cette pièce n'ait aucun contact direct avec le corps du doigt.
Le seul contact entre ladite première pièce thermiquement conductrice 19 et le doigt creux 17 est indirect et se fait par l'intermédiaire de la surface 19b du talon 19a.
Un isolateur thermique 22 s'emboîte mécaniquement sur la première pièce thermiquement conductrice 19 assurant ainsi la liaison mécanique entre la cellule de mesure 15 et les organes de raccordement 16 du dispositif ainsi qu'une bonne isolation thermique de ladite cellule de mesure.
Un fourreau creux 23, de forme cylindrique, réalisé en un matériau électriquement isolant, fait office de pièce intermédiaire entre l'isolateur thermique 22 et une pince de serrage de tresse 24 d'un câble bifilaire 25.
Deux bornes de serrage électriquement isolantes 26a et 26b sont respectivement disposées de part et d'autre de l'élément sensible thermofluxmétrique 18 et comportent chacune un évidement 27 en forme de coin, dans lequel est engagée une extrémité de chaque fil électriquement conducteur ou tresse du câble bifilaire 25, appliquée contre une face de l'élément sensible thermofluxmétrique 18 qui comporte sur chacune de ses faces une piste électriquement conductrice appropriée. L'élément sensible fihermofluxmétrique 18 est placé en sandwich entre les deux bornes de serrage électriquement isolantes 26a et 26b et maintenu au moyen de deux vis de serrage 28 qui assurent le serrage desdites bornes en écrasant entre elles tes deux fils électriques du câble bifilaire 25 sur les pistes électriques de l'élément sensible thermofluxmétrique 18.
La pince de serrage de tresse 24 prend appuie, par son extrémité, sur le fourreau creux 23 et comporte un alésage central cylindrique permettant le passage des fils conducteurs ou de la tresse du câble 25. L'autre extrémité
est agencée pour opérer un serrage coaxial de la tresse avec la gaine du câble 25 lorsqu'une douille de serrage 29 est vissée à l'extrémité de raccordement 13 du boîtier 11 et que cette douille comprime la pince de serrage 24.
Le boîtier 11 est pourvu d'un épaulement 30 qui sert d'appui à un écrou de serrage 31 fendu longitudinalement et qui s'étend sensiblement sur toute la longueur dudit boîtier 11. Cet écrou est destiné à assurer une liaison mécanique avec un support (non représentë) qui est lié à l'environnement du milieu à contrôler, par exemple au fourreau d'une presse d'extrusion. L'écrou de serrage 31 est pourvu extérieurement d'un filetage qui coopère avec le filetage dudit support lié à l'environnement du milieu à contrôler.
Les figures 3, 4A et 4B représentent des vues similaires à celles des figures 1, 2A et 2B, elfes correspondent à une deuxième forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Les composants similaires porteront les mêmes numéros de référence et ne seront pas décrits en détail. Seuls les composants qui diffèrent de ceux des figures précédentes seront détaillés.
Dans cette réalisation, ladite première pièce thermiquement conductrice 19 n'est pas prolongée par un talon qui assure le contact avec l'extrémité du doigt creux 17, mais la pièce elle-même se prolonge jusqu'à l'extrémité de ce doigt creux et comporte, à son extrémité, une surface plane 19c, en forme de demi-disque, qui prend appui contre la surface intérieure 17a du doigt creux 17. En outre, le diamètre de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 est égal au diamètre intérieur du doigt creux 17, de sorte que le contact entre cette pièce et le corps du doigt creux s'effectue directement avec 5 l'extrémité libre de la pièce et avec sa surface latérale 19d.
Les figures 5 et 6 illustrent une troisième forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Les composants similaires à ceux des figures précédentes et notamment des figures 1, 2A et 2B porteront les mêmes numéros de 10 référence et ne seront pas décrits en détail. Seuls les composants qüi diffèrent de ceux des figures précédentes seront détaillés.
Dans cette réalisation, seule l'extrémité du doigt creux 17 diffère de celle du doigt illustré par la figure 1. Le doigt creux se prolonge par un embout d'extrémité tronconique 31 qui est agencé pour être engagé dans un alésage approprié d'une pièce en liaison avec le milieu à contrôler. La forme tronconique de l'embout permet d'augmenter la surface de contact entre le doigt creux 17 et la pièce en contact avec le milieu à contrôler et d'obtenir ainsi une plus grande sensibilité et une plus grande fiabilité des mesures.
Le talon 19a peut être remplacé par un prolongement de iadite première pièce thermiquement conductrice 19, comme c'est le cas dans la réalisation illustrée par la figure 3. En outre, ce talon peut avoir un diamètre égal au diamètre intérieur du doigt creux 17, de manière à augmenter la surface de contact de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 avec le corps du doigt creux.
Les figures 7A et 7B représentent l'élément sensible thermofluxmétrique de la cellule de mesure 15, respectivement vu de dessous et vu en coupe longitudinale. Cet élément comporte un détecteur thermofluxmétrique 40, disposé entre une première couche isolante 41 et une seconde couche isolante ~ 42 qui se prolongent au-delà du détecteur vers l'extrémité de ~1 raccordement. Du côté de l'extrémité de mesure, les deux couches isolantes 41 et 42 définies ci-dessus sont respectivement surmontées d'une première masse en cuivre 43, appelée électrode d'absorption, et d'une deuxième masse en cuivre 44, appelée électrode de dissipation. Du côté de l'extrémité
de raccordement, les deux couches isolantes 41 et 42 sont séparées d'une troisième couche isolante centrale 45 par deux pistes conductrices, respectivement 46 et 47. Deux trous passants 48 et 49 sont ménagés du côté
de l'extrémité de mesure pour permettre d'assurer fa liaison par des vis de l'élément sensible thermofluxmétrique 18, de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 et de ladite seconde pièce thermiquement conductrice 20.
Le dispositif selon l'invention est applicable à la mesure des échanges de quantités de chaleur en régime totalement non stationnaire comportant une dynamique de faible niveau noyée dans un environnement fortement perturbé
par des champs thermiques importants.
Dans la pratique, l'extrémité de mesure dont la base est plane, comme le montre notamment la figure 2A, est habituellement engagée dans un alésage traversant afin que cette base soit en contact avec la matière à contrôler.
L'extrémité de mesure dont la base est tronconique, comme le montre notamment la figure 6, est de préférence engagée dans un alésage borgne, dont l'extrémité a la forme d'un cône dont le sommet est disposé à faible distance du passage de la matière à contrôler.
Dans le premier cas, le corps du capteur, et plus particulièrement la paroi de ce corps localisée à la base de l'extrémité de mesure, doit résister à des pressions importantes, qui peuvent atteindre 2500 bars. En outre, l'espace situé entre le corps du capteur et la paroi de l'alésage traversant est envahi par de la matière, en particulier par des matières plastiques, qui, en durcissant, bloquent le capteur dans l'alésage et empêchent son démontage à froid.
Dans le deuxième cas, le corps du capteur n'est plus en contact avec la matière, et n'est plus soumis à la pression importante de cette dernière. II
peut être démonté â tout moment au cours du fonctionnement d'une presse d'extrusion par exemple. Comme la distance entre l'extrémité de mesure et la matière à contrôler est faible, l'information thermique se transmet aisément, d'autant plus que la forme tronconique permet d'augmenter d'un facteur allant jusqu'à quatre la surface qui capte les variations de flux thermique. Le contact entre la surface de base tronconique de l'extrémité de mesure et la surface conique de la pointe de l'alésage est facile à réaliser, ce qui permet d'obtenir dans le deuxième cas un résultat identique, voire meilleur à celui que l'on obtient dans le premier cas, malgré une résistance thermique accrue.
Possibilités d'applications industrielles A titre d'exemples, ce dispositif peut être avantageusement utilisé pour . le contrôle en ligne des têtes d'extrusion de type "crosshead" de manière à
mieux optimiser la production par un pilotage basé sur les paramètres rhéologiques des états de la matière, notamment lors d'extrusions complexes, par exemple de câbles.
. ie contrôle des moules d'étirage - soufflage, de manière à mieux optimiser la production par un pilotage basé sur le contrôle de la cristallisation de la matière, notamment lors de la production' de bouteilles synthétiques.
. le contrôle des différentes phases d'injection des matières thermoplastiques dans un moule, de manière à améliorer la qualité, réduire le temps de cycle et mieux piloter le processus d'injection par une meilleure connaissance de différents paramètres tels que la dynamique de pression, l'arrivée de la matière, la détection des incomplets, les réactions de cristallisation.
. le contrôle des phases d'injection des matières thermodurcissables dans les moules de compression du type SMC (Sheet Molding Compound) et BMC
(Bulk Mounting Compound) de manière à mieux optimiser la production par un meilleur pilotage des paramètres rhéologiques, notamment pendant la phase de réticulation.
. le contrôle de fa dégradation des graisses utilisées notamment dans les roulements fortement sollicités, sous forte charge et à très haute vitesse dans le but d'optimiser la maintenance prédictive.
Les essais ont démontré la fiabilité et la reproductibilité des signaux délivrés et notamment une dépendance remarquable du profil dynamique de flux thermique avec ceux de la pression. Une série de ces dispositifs installés sur un système vis/fourreau de presse à injecter montre qu'une telle signature thermomécanique n'a jamais été obtenue jusqu'à ce jour, notamment en zone fondue, ce qui laisse espérer des progrès significatifs dans la connaissance et le pilotage en ligne et en temps réel des procédés d'injection.
CHALEUR EN RÉGIME NON STATIONNAIRE
Domaine technique La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des échanges de quantités de chaleur en régime non stationnaire, ce régime ayant une dynamique de faible niveau noyée dans un environnement fortement perturbé
par des champs thermiques importants, ledit dispositif comportant un boîtier allongé pourvu d'une cavité centrale, d'une extrémité de mesure et d'une extrémité de raccordemént, l'extrémité de mesure étant fermée et la cavité
centrale contenant, d'une part, une cellule de mesure et, d'autre part, des organes de raccordement électrique, ladite cellule de mesure comprenant au moins un élément sensible thermofluxmétrique disposé en sandv~rich entre une première pièce thermiquement conductrice et une seconde pièce thermiquement conductrice.
Technique antérieure Un tel dispositif permet de mesurer en temps réel les quanfiités de chaleur générées lors de modifications rhéologiques de matières en cours de transformation, telles que par exemple des matières synthétiques au cours d'un processus de plastification dans une machine d'extrusion ou d'injection.
L'information recueillie est significative de l'état de la matière à un instant donné, notamment de sa pression, de sa température, de son écoulement visqueux ou, le cas échéant, de son changement de phase, ou de sa dégradation lors d'un autre processus de transformation.
II est connu que les données des capteurs, notamment celles relatives à la température, à la pression et à la viscosité sont susceptibles de fournir des informations sur l'état de la matière, mais il est complexe d'obtenir, en temps réel, une information locale complète sur l'état rhéologique de cette matière en cours de transformation à un instant donné.
On sait d'expérience que l'ensemble de ces informations peut être fourni par des capteurs dits de flux thermique moyennant un traitement informatique approprié des signaux délivrés par ces capteurs. Les grandeurs physiques prëcédemment énoncées se traduisent toutes par des échanges de quantités de chaleur, c'est-à-dire que tout phénomène rhéologique dont on peut ramener l'évolution à une grandeur thermique est détectable.
La plupart des capteurs de flux thermiques existants ont été créés pour mesurer principalement des flux du type bilan thermique représentatifs des échanges thermiques entre la matière et son environnement. Les flux thermiques engendrés au sein de la matière lors de modifications rhéologiques locales étant très faibles par rapport aux flux issus des échanges avec l'environnement, ils sont donc noyés dans un signal de niveau important qu'il faut traiter pour pouvoir en extraire les informations recherchées. Ceci est une méthode lourde et onéreuse et il apparaît complexe d'intégrer couramment de tels dispositifs dans un processus industriel pour exécuter un contrôle en ligne.
Or, dans ce type d'application, c'est la dynamique des transformations de la ~0 matière qui est primordiale et non le bilan thermique. C'est pourquoi on a développé un capteur thermofluxmétrique répondant à ces impératifs et qui a fait l'objet de la demande internationale de brevet publiée sous le numéro WO
00103431 et ayant pour titre : Dispositif de mesure des échanges de quantités de chaleur en régime variable, non stationnaire ou transitoire .
?5 Ce dispositif comporte une cellule de mesure comprenant au moins un élément sensible thermofluxmétrique disposé en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice et une seconde pièce thermiquement conductrice. La cellule de mesure comporte une base 30 circulaire plane qui est maintenue en contact par des moyens de compression mécaniques contre la surface intérieure du fonds d'un corps dans lequel est disposée la cellule de mesure.
De ce fait, les deux pièces qui prennent en sandwich ledit élément sensible sont en contact direct avec le corps du dispositif qui est lui-même lié à
l'environnement de la matière à contrôler.. II en résulte que ce dispositif est agencé pour mesurer les échanges de quantités de chaleur entre la matière à
contrôler et son environnement immédiat. A titre d'exemple, le dispositif est apte à mesurer les échanges de quantités de chaleur entre le fourreau d'une machine d'injection et la matière synthétique elle-même en cours de transformation, qui circule à l'intérieur de ce fourreau en zone fondue. II
est évident que des échanges thermiques s'effectuent en permanence entre la matière et son environnement immédiat de sorte que les mesures effectuées par ce dispositif ne permettent pas de contrôler de façon efifiicace et fiable l'évolution de la matière en cours de plastification en zone fondue.
Exposé de l'invention La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients en permettant d'effectuer un contrôle précis de l'évolution de la matière en cours de transformation par une simple mesure d'échanges de quantités de chaleur correspondant non plus aux échanges dus au flux résultant du bilan thermique entre la matière et son environnement, mais exclusivement aux échanges locaux entre la matière et un élément thermique de référence.
Ce but est atteint par le dispositif tel que défini en préambule et caractérisé en ce que Ladite première pièce thermiquement conductrice est en contact avec au moins une surFace dudit boitier, et en ce que ladite seconde pièce thermiquement conductrice est isolée dudit boîtier et constitue une capacité
thermique constante.
De ce fait, l'élément sensible de type thermofluxmétrique est disposé entre ladite première pièce, qui constitue une électrode thermique en contact avec le milieu à contrôler, et ladite seconde pièce, qui constitue une capacité
thermique déterminée.
Par ces moyens, on mesure des échanges de quantités de chaleur, non plus entre la matière à contrôler et son environnement immédiat, mais entre la matière à contrôler et une capacité thermique de référence parfaitement S déterminée, intégrée à 1a cellule de mesure et thermiquement isolée du boîtier du dispositif.
Lorsqu'il se produit une modification rhéologique locale au sein de la matière se traduisant par une absorption, une restitution ou une production d'énergie sous forme thermique, des quantités de chaleur sont échangées avec la capacité thermique du dispositif de mesure en traversant l'élément sensible thermofluxmétrique. Les quantités de chaleur se stockent dans fa capacité
thermique du dispositif, dont la température s'élève jusqu'à ce qu'elle soit équilibrée avec celle de la matière locale.
Lorsque le phénomène n'est plus exothermique mais endothermique, la capacité thermique du dispositif déstocke, en sens inverse, les quantités de chaleur qui sont échangées avec la matière en traversant l'élément sensible thermofluxmétrique, et ceci jusqu'au prochain équilibre thermique local.
La dynamique de ces échanges thermiques focaux est détectée par l'élément sensible thermofluxmétrique qui génère un signal électrique significatif de ces échanges, et ceci en temps réel.
Le signal électrique obtenu est non stationnaire. II fournit une information, en temps réel, sur la dynamique des modifications rhéologiques locales de la matière, et ceci dans un environnement fortement perturbé notamment par des échanges d'énergie thermique à très haut niveau entre la matière et son environnement.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l'extrémité de mesure du boîtier est sensiblement plane et l'une des extrémités de ladite première pièce thermiquement conductrice est au moins partiellement en contact avec une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
De façon avantageuse, ladite première pièce thermiquement conductrice 5 comporte un talon pourvu d'une surface de contact dont la géométrie correspond à celle d'une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
Selon un premier mode de réalisation, ladite surface de contact dudit talon de ladite première pièce thermiquement conductrice est circulaire.
Selon un second mode de réalisation, l'extrémité de mesure du boîtier est sensiblement tronconique et l'une des extrémités de ladite première pièce thermiquement conductrice est au moins partiellement en contact avec une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
Dans le cadre de ce second mode de réalisation, ladite première pièce thermiquement conductrice comporte un talon pourvu d'une surface de contact, cette surface de contact étant en appui contre une surface intérieure de même géométrie de ladite extrémité de mesure tronconique.
De façon préférentielle, l'élément sensible thermofluxmétrique ainsi que ladite première pièce thermiquement conductrice et ladite seconde pièce thermiquement sont revêtus d'une couche d'or, au moins sur leurs surfaces communes, de manière à assurer par diffusion de la couche d'or un contact thermique intime entre les composants concernés.
Selon une construction particulièrement simple, efficace et avantageuse le boîtier comporte, du côté de son extrémité de mesure, un doigt creux dont l'épaisseur est réduite par rapport à celle du reste du corps de manière à
présenter une importante résistance thermique axiale, la cellule de mesure étant essentiellement logée dans ce doigt.
La cellule de mesure est de préférence maintenue au fond du doigt creux par des moyens de compression agencés pour assurer un plaquage de ladite première pièce thermiquement conductrice contre la surface intérieure de l'extrémité de mesure.
D'une manière très intéressante pour des raisons constructives et fonctionnelles, la section droite du doigt creux est circulaire, ladite première pièce thermiquement conductrice a une section semi-cylindrique dont !e diamètre est sensiblement égal au diamètre de la surface intérieure du doigt creux, et la seconde pièce thermiquement conductrice a une section semi-cylindrique dont le diamètre est inférieur au diamètre de la surface intérieure du doigt creux.
Description sommaire des dessins La présente invention sera mieux comprise en référence à 1a description de divers modes de réalisation et des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale partielle d'une première forme de réalisation de l'invention du dispositif selon l'invention, - la figure 2A représente une vue partielle agrandie et en coupe longitudinale de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 1, - la figure 2B représente une vue partielle agrandie et en coupe transversale selon la ligne I-I, de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 1, - fa figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'une deuxième forme de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 4A représente une vue partielle agrandie et en coupe longitudinale de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 3, - la figure 4B représente une vue partielle agrandie et en coupe transversale, selon la ligne II-II, de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 3, - la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'une troisième forme de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 6 est une vue partielle agrandie de l'extrémité de mesure du dispositif de la figure 5, et - les figures 7A et 7B représentent des vues respectivement de dessus et en coupe longitudinale de l'élément sensible thermofluxmétrique de la cellule de mesure logée dans l'extrémité de mesure du dispositif de l'invention.
Maniéres de réaliser l'invention En référence aux figures 1, 2A et 2B, le dispositif 10 selon l'invention comporte un boîtier 11 de forme allongée qui comporte une extrémité de mesure 12 fermée, une extrémité de raccordement 13 ainsi qu'une cavité
centrale 14. Cette cavité centrale 14 contient, d'une part, une cellule de mesure 15 et, d'autre part, des organes de raccordement électrique 16. Le boîtier 11 se prolonge, du côté de l'extrémité de mesure 12, par un doigt creux 17, de section avantageusement circulaire, qui contient en partie au moins ladite cellule de mesure 15.
Cette cellule de mesure 15 se compose d'un élément sensible thermofluxmétrique 18 qui est pris en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice 19, qui constitue une sorte d'électrode thermique, et une seconde pièce thermiquement conductrice 20, qui constitue une capacité thermique constante appelée capacité thermique de référence: Les surfaces de contact de la première pièce thermiquement conductrice 19 et de la seconde pièce thermiquement conductrice 20 sont revêtues chacune d'une couche d'or, de manière à réaliser une liaison thermique intime avec l'élément sensible thermofluxmétrique 18. Les deux pièces thermiquement conductrices 19 et 20 sont liées entre elles par des vis 21 réalisées en un matériau thermiquement peu conducteur.
Dans l'exemple de réalisation décrit et représenté par les figures, ladite première pièce thermiquement conductrice 19 a une section sensiblement semi-circulaire et est pourvue à son extrémité libre d'un talon 19a de section sensiblement circulaire qui comporte une surface plane 19b de forme circulaire prenant appui sur la surface intérieure 17a du doigt creux 17. Le diamètre de ce talon est inférieur ou égal au diamètre intérieur dudit doigt creux 17. De façon similaire, le diamètre de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 est inférieur au diamètre intérieur dudit doigt creux 17 afin que cette pièce n'ait aucun contact direct avec le corps du doigt.
Le seul contact entre ladite première pièce thermiquement conductrice 19 et le doigt creux 17 est indirect et se fait par l'intermédiaire de la surface 19b du talon 19a.
Un isolateur thermique 22 s'emboîte mécaniquement sur la première pièce thermiquement conductrice 19 assurant ainsi la liaison mécanique entre la cellule de mesure 15 et les organes de raccordement 16 du dispositif ainsi qu'une bonne isolation thermique de ladite cellule de mesure.
Un fourreau creux 23, de forme cylindrique, réalisé en un matériau électriquement isolant, fait office de pièce intermédiaire entre l'isolateur thermique 22 et une pince de serrage de tresse 24 d'un câble bifilaire 25.
Deux bornes de serrage électriquement isolantes 26a et 26b sont respectivement disposées de part et d'autre de l'élément sensible thermofluxmétrique 18 et comportent chacune un évidement 27 en forme de coin, dans lequel est engagée une extrémité de chaque fil électriquement conducteur ou tresse du câble bifilaire 25, appliquée contre une face de l'élément sensible thermofluxmétrique 18 qui comporte sur chacune de ses faces une piste électriquement conductrice appropriée. L'élément sensible fihermofluxmétrique 18 est placé en sandwich entre les deux bornes de serrage électriquement isolantes 26a et 26b et maintenu au moyen de deux vis de serrage 28 qui assurent le serrage desdites bornes en écrasant entre elles tes deux fils électriques du câble bifilaire 25 sur les pistes électriques de l'élément sensible thermofluxmétrique 18.
La pince de serrage de tresse 24 prend appuie, par son extrémité, sur le fourreau creux 23 et comporte un alésage central cylindrique permettant le passage des fils conducteurs ou de la tresse du câble 25. L'autre extrémité
est agencée pour opérer un serrage coaxial de la tresse avec la gaine du câble 25 lorsqu'une douille de serrage 29 est vissée à l'extrémité de raccordement 13 du boîtier 11 et que cette douille comprime la pince de serrage 24.
Le boîtier 11 est pourvu d'un épaulement 30 qui sert d'appui à un écrou de serrage 31 fendu longitudinalement et qui s'étend sensiblement sur toute la longueur dudit boîtier 11. Cet écrou est destiné à assurer une liaison mécanique avec un support (non représentë) qui est lié à l'environnement du milieu à contrôler, par exemple au fourreau d'une presse d'extrusion. L'écrou de serrage 31 est pourvu extérieurement d'un filetage qui coopère avec le filetage dudit support lié à l'environnement du milieu à contrôler.
Les figures 3, 4A et 4B représentent des vues similaires à celles des figures 1, 2A et 2B, elfes correspondent à une deuxième forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Les composants similaires porteront les mêmes numéros de référence et ne seront pas décrits en détail. Seuls les composants qui diffèrent de ceux des figures précédentes seront détaillés.
Dans cette réalisation, ladite première pièce thermiquement conductrice 19 n'est pas prolongée par un talon qui assure le contact avec l'extrémité du doigt creux 17, mais la pièce elle-même se prolonge jusqu'à l'extrémité de ce doigt creux et comporte, à son extrémité, une surface plane 19c, en forme de demi-disque, qui prend appui contre la surface intérieure 17a du doigt creux 17. En outre, le diamètre de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 est égal au diamètre intérieur du doigt creux 17, de sorte que le contact entre cette pièce et le corps du doigt creux s'effectue directement avec 5 l'extrémité libre de la pièce et avec sa surface latérale 19d.
Les figures 5 et 6 illustrent une troisième forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Les composants similaires à ceux des figures précédentes et notamment des figures 1, 2A et 2B porteront les mêmes numéros de 10 référence et ne seront pas décrits en détail. Seuls les composants qüi diffèrent de ceux des figures précédentes seront détaillés.
Dans cette réalisation, seule l'extrémité du doigt creux 17 diffère de celle du doigt illustré par la figure 1. Le doigt creux se prolonge par un embout d'extrémité tronconique 31 qui est agencé pour être engagé dans un alésage approprié d'une pièce en liaison avec le milieu à contrôler. La forme tronconique de l'embout permet d'augmenter la surface de contact entre le doigt creux 17 et la pièce en contact avec le milieu à contrôler et d'obtenir ainsi une plus grande sensibilité et une plus grande fiabilité des mesures.
Le talon 19a peut être remplacé par un prolongement de iadite première pièce thermiquement conductrice 19, comme c'est le cas dans la réalisation illustrée par la figure 3. En outre, ce talon peut avoir un diamètre égal au diamètre intérieur du doigt creux 17, de manière à augmenter la surface de contact de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 avec le corps du doigt creux.
Les figures 7A et 7B représentent l'élément sensible thermofluxmétrique de la cellule de mesure 15, respectivement vu de dessous et vu en coupe longitudinale. Cet élément comporte un détecteur thermofluxmétrique 40, disposé entre une première couche isolante 41 et une seconde couche isolante ~ 42 qui se prolongent au-delà du détecteur vers l'extrémité de ~1 raccordement. Du côté de l'extrémité de mesure, les deux couches isolantes 41 et 42 définies ci-dessus sont respectivement surmontées d'une première masse en cuivre 43, appelée électrode d'absorption, et d'une deuxième masse en cuivre 44, appelée électrode de dissipation. Du côté de l'extrémité
de raccordement, les deux couches isolantes 41 et 42 sont séparées d'une troisième couche isolante centrale 45 par deux pistes conductrices, respectivement 46 et 47. Deux trous passants 48 et 49 sont ménagés du côté
de l'extrémité de mesure pour permettre d'assurer fa liaison par des vis de l'élément sensible thermofluxmétrique 18, de ladite première pièce thermiquement conductrice 19 et de ladite seconde pièce thermiquement conductrice 20.
Le dispositif selon l'invention est applicable à la mesure des échanges de quantités de chaleur en régime totalement non stationnaire comportant une dynamique de faible niveau noyée dans un environnement fortement perturbé
par des champs thermiques importants.
Dans la pratique, l'extrémité de mesure dont la base est plane, comme le montre notamment la figure 2A, est habituellement engagée dans un alésage traversant afin que cette base soit en contact avec la matière à contrôler.
L'extrémité de mesure dont la base est tronconique, comme le montre notamment la figure 6, est de préférence engagée dans un alésage borgne, dont l'extrémité a la forme d'un cône dont le sommet est disposé à faible distance du passage de la matière à contrôler.
Dans le premier cas, le corps du capteur, et plus particulièrement la paroi de ce corps localisée à la base de l'extrémité de mesure, doit résister à des pressions importantes, qui peuvent atteindre 2500 bars. En outre, l'espace situé entre le corps du capteur et la paroi de l'alésage traversant est envahi par de la matière, en particulier par des matières plastiques, qui, en durcissant, bloquent le capteur dans l'alésage et empêchent son démontage à froid.
Dans le deuxième cas, le corps du capteur n'est plus en contact avec la matière, et n'est plus soumis à la pression importante de cette dernière. II
peut être démonté â tout moment au cours du fonctionnement d'une presse d'extrusion par exemple. Comme la distance entre l'extrémité de mesure et la matière à contrôler est faible, l'information thermique se transmet aisément, d'autant plus que la forme tronconique permet d'augmenter d'un facteur allant jusqu'à quatre la surface qui capte les variations de flux thermique. Le contact entre la surface de base tronconique de l'extrémité de mesure et la surface conique de la pointe de l'alésage est facile à réaliser, ce qui permet d'obtenir dans le deuxième cas un résultat identique, voire meilleur à celui que l'on obtient dans le premier cas, malgré une résistance thermique accrue.
Possibilités d'applications industrielles A titre d'exemples, ce dispositif peut être avantageusement utilisé pour . le contrôle en ligne des têtes d'extrusion de type "crosshead" de manière à
mieux optimiser la production par un pilotage basé sur les paramètres rhéologiques des états de la matière, notamment lors d'extrusions complexes, par exemple de câbles.
. ie contrôle des moules d'étirage - soufflage, de manière à mieux optimiser la production par un pilotage basé sur le contrôle de la cristallisation de la matière, notamment lors de la production' de bouteilles synthétiques.
. le contrôle des différentes phases d'injection des matières thermoplastiques dans un moule, de manière à améliorer la qualité, réduire le temps de cycle et mieux piloter le processus d'injection par une meilleure connaissance de différents paramètres tels que la dynamique de pression, l'arrivée de la matière, la détection des incomplets, les réactions de cristallisation.
. le contrôle des phases d'injection des matières thermodurcissables dans les moules de compression du type SMC (Sheet Molding Compound) et BMC
(Bulk Mounting Compound) de manière à mieux optimiser la production par un meilleur pilotage des paramètres rhéologiques, notamment pendant la phase de réticulation.
. le contrôle de fa dégradation des graisses utilisées notamment dans les roulements fortement sollicités, sous forte charge et à très haute vitesse dans le but d'optimiser la maintenance prédictive.
Les essais ont démontré la fiabilité et la reproductibilité des signaux délivrés et notamment une dépendance remarquable du profil dynamique de flux thermique avec ceux de la pression. Une série de ces dispositifs installés sur un système vis/fourreau de presse à injecter montre qu'une telle signature thermomécanique n'a jamais été obtenue jusqu'à ce jour, notamment en zone fondue, ce qui laisse espérer des progrès significatifs dans la connaissance et le pilotage en ligne et en temps réel des procédés d'injection.
Claims (11)
1. Dispositif pour la mesure des échanges de quantités de chaleur en régime non stationnaire, ce régime ayant une dynamique de faible niveau noyée dans un environnement fortement perturbé par des champs thermiques importants, ledit dispositif comportant un boîtier allongé (11) pourvu d'une cavité centrale (14), d'une extrémité de mesure (12) et d'une extrémité de raccordement (13), l'extrémité de mesure (12) étant fermée et la cavité
centrale (14) contenant, d'une part, une cellule de mesure (15) et, d'autre part, des organes de raccordement électrique (16), ladite cellule de mesure comprenant au moins un élément sensible thermofluxmétrique (18) disposé en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice (19) et une seconde pièce thermiquement conductrice (20), caractérisé en ce que ladite première pièce thermiquement conductrice (19) est en contact avec au moins une surface dudit boîtier (11) et en ce que ladite seconde pièce thermiquement conductrice (20) est isolée dudit boîtier et constitue une capacité thermique constante.
centrale (14) contenant, d'une part, une cellule de mesure (15) et, d'autre part, des organes de raccordement électrique (16), ladite cellule de mesure comprenant au moins un élément sensible thermofluxmétrique (18) disposé en sandwich entre une première pièce thermiquement conductrice (19) et une seconde pièce thermiquement conductrice (20), caractérisé en ce que ladite première pièce thermiquement conductrice (19) est en contact avec au moins une surface dudit boîtier (11) et en ce que ladite seconde pièce thermiquement conductrice (20) est isolée dudit boîtier et constitue une capacité thermique constante.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de mesure (12) du boîtier est sensiblement plane, et en ce que l'une des extrémités de ladite première pièce thermiquement conductrice (19) est au moins partiellement en contact avec une surface intérieure (17a) de ladite extrémité de mesure.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première pièce thermiquement conductrice (19) comporte un talon (19a) pourvu d'une surface de contact dont fa géométrie correspond à celle de la surface intérieure (17a) de ladite extrémité de mesure.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite surface de contact dudit talon (19a) de ladite première pièce thermiquement conductrice (19) est circulaire.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de mesure du boîtier (12) est sensiblement tronconique, et en ce que l'une des extrémités de ladite première pièce thermiquement conductrice (19) est au moins partiellement en contact avec une surface intérieure de ladite extrémité de mesure.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite première pièce thermiquement conductrice (19) comporte un talon pourvu d'une surface de contact, cette surface de contact étant en appui contre une surface intérieure de même géométrie de ladite extrémité de mesure tronconique.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible thermofluxmétrique (18) ainsi que ladite première pièce thermiquement conductrice (19) et ladite seconde pièce thermiquement conductrice (20) sont revêtus d'une couche d'or, au moins sur leurs surfaces communes.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (11) comporte, du côté de son extrémité de mesure (12), un doigt creux (17) dont l'épaisseur est réduite par rapport à celle du reste du corps dudit boîtier, la cellule de mesure (15) étant essentiellement logée dans ce doigt.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cellule de mesure (15) est maintenue au fond du doigt creux (17) par des moyens de compression agencés pour assurer un plaquage de ladite première pièce thermiquement conductrice (19) contre la surface intérieure de l'extrémité
de mesure (12).
de mesure (12).
10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la section droite du doigt creux (17) est circulaire, en ce que ladite première pièce thermiquement conductrice (19) a une section semi-cylindrique dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre de la surface intérieure du doigt creux et en ce que la seconde pièce thermiquement conductrice (20) a une section semi-cylindrique dont le diamètre est inférieur au diamètre de la surface intérieure du doigt creux.
11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément sensible thermofluxmétrique (18) comporte un détecteur thermofluxmétrique (40) pris en sandwich entre une première couche isolante (41), associée à une électrode d'absorption (43), et une seconde couche isolante (42), associée à une électrode de dissipation (44).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FZDE | Discontinued | ||
| FZDE | Discontinued |
Effective date: 20070905 |
|
| FZDE | Discontinued |
Effective date: 20070905 |