Sonde pour cryogène liquide
De nombreux éléments détecteurs, comme par exemple des résistances en carbone, des semi-conducteurs, etc. subissent un changement de leur résistance électrique quand ils suivent un cycle à partir de la température ambiante et à travers la gamme des températures d'un cryogène. Un tel changement de résistance électrique produit un déséquilibre ou un changement de tension électrique dans un circuit électronique approprié, qui actionne à son tour un dispositif approprié de lecture fournissant une indication sur le niveau réel du cryogène liquide, ou fait fonctionner un distributeur approprié, de façon à remplacer le liquide vaporisé par un liquide venant d'un réservoir par l'intermédiaire d'une conduite appropriée de transfert.
Certains indicateurs et contrôleurs du niveau d'un liquide, existant actuellement, utilisent un seul élément détecteur monté à l'extrémité d'une tige ou d'un tube, que l'on introduit dans le réservoir contenant le cryogène liquide, par exemple dans une bouteille de Dewar. De cette manière, le niveau du liquide est mesuré ou commandé à une seule valeur, qui est fixée par la profondeur à laquelle on enfonce la tige dans le réservoir. Les dispositifs de ce genre exigent une mesure précise de la profondeur intérieure du réservoir et aussi de la profondeur d'introduction de la tige ou sonde, portant l'élément détecteur.
Différents autres types de dispositifs de mesure et/ou de commande du niveau d'un cryogène liquide utilisent une sonde comportant deux éléments détecteurs, en particulier quand on désire commander le niveau du liquide en deux points distincts.
Ces sondes sont constituées généralement par des tubes télescopiques et concentriques, ou par des tiges adjacentes et parallèles, les éléments détecteurs étant fixés respectivement à des distances variées le long des tubes ou des tiges. Dans ces dispositifs, les tubes concentriques ou les tige parallèles ont une longueur égale à la profondeur totale du réservoir contenant le liquide, de façon à pouvoir exécuter une mesure ou une commande pour un niveau particulier quelconque du liquide dans le réservoir. En conséquence, si le niveau du liquide doit être élevé, les tubes concentriques ou les tiges parallèles doivent être retirés du réservoir jusqu'au nouveau niveau désiré du liquide, d'où il résulte souvent que les tubes s'étendent, à partir de l'extrémité supérieure du réservoir, sur une longueur aussi grande qu'à l'intérieur de celui-ci.
Il est clair que des dispositifs de ce genre ne sont pas pratiques si la profondeur du réservoir atteint par exemple une valeur comprise entre 6 m et 9 m. Non seulement les tubes ou tiges font saillie d'une manière indésirable en dehors du réservoir, mais un problème se pose également, en ce qui concerne les câbles ou fils conducteurs, pour réaliser la continuité électrique entre chaque élément détecteur et le circuit extérieur associé, pour toutes les positions possibles des éléments détecteurs.
La présente invention tend à supprimer les limitations et les inconvénients des anciens dispositifs.
Elle a pour objet une sonde pour cryogène liquide, destinée à fournir des indications sur la température et le niveau d'un cryogène dans lequel elle est placée, comprenant au moins un élément détecteur de température, pouvant se déplacer normalement à l'inté- rieur d'un carter tubulaire de façon à pouvoir être placé à une hauteur choisie et des éléments de connexion pour connecter ledit élément détecteur à un circuit électrique extérieur. Cette sonde est caractérisée par le fait que les éléments de connexion consistent en organes métalliques, qui peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres aux températures normales, mais qui sont verrouillés ensemble mécaniquement aux températures du cryogène.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple une forme d'exécution de la sonde pour cryogène liquide.
La fig. 1 est une coupe longitudinale et centrale d'une sonde, certaines parties internes étant représentées en élévation et/ou avec des arrachements.
La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-ll de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-Ill de la fig.l.
La fig. 4 est une vue partielle en élévation avant de la sonde.
La sonde comprend un seul tube, dont la longueur invariable dépasse d'environ 15 om la profondeur totale du réservoir. Deux éléments détecteurs sont contenus dans ce tube et peuvent coulisser le long de fils tendus s'étendant sensiblement sur toute la longueur du tube. La position de chaque élément détecteur est indiquée sur une graduation calibrée, portée par la surface extérieure du tube; des connexions électriques sont établies sur les différents éléments détecteurs par l'intermédiaire des fils métalliques tendus, de façon à éliminer la nécessité de fils métalliques flottants le long du tube.
La sonde décrite et destinée à des cryogènes liquides comprend un carter tubulaire, dans lequel sont placés des fils métalliques, tendus et espacés, deux coulisseaux isolants portant chacun un élément détecteur et pouvant normalement coulisser le long des fils, un dispositif pour fixer les coulisseaux en des points prédéterminés, le long du carter, quand ils sont à la température ambiante, et un dispositif établissant automatiquement et efficacement une connexion électrique positive entre les éléments détecteurs et les fils, quand les coulis seaux sont soumis à des températures basses.
Si on se réfère maintenant au dessin, on voit que le carter de la sonde est constitué par un tube 10, en acier inoxydable ou en un autre métal approprié possédant un coefficient élevé de dilatation thermique. La longueur de ce tube est plus grande que la profondeur du réservoir ou de la bouteille de Dewar, contenant le liquide à mesurer ou à commander; le diamètre de ce tube est tel que celui-ci s'ajuste à travers l'orifice d'entrée de l'extrémité supérieure du réservoir.
Le tube 10 est généralement conçu pour reposer sur le fond du réservoir, avec sa partie supérieure s'étendant verticalement à travers l'orifice d'entrée de l'extrémité supérieure du réservoir. I1 faut souligner ici le fait que le dessin n'a pas été exécuté à une échelle particulière quelconque et que les jeux, entre les différents éléments constitutifs, sont exagérés sur le dessin pour obtenir une représentation plus claire.
Une fente longitudinale 11 est formée dans la paroi du tube; elle s'étend depuis un point situé à 2,5 cm environ de la base du tube jusqu'à un point situé à environ 7,5 cm de l'extrémité supérieure du tube. Trois fiches de connexion 12, 13 et 14 sont portées par un bouchon isolant 15 ; ces fiches peuvent être moulées dans le bouchon ou peuvent être ajustées à force dans des orifices appropriés prévus à cet effet dans le bouchon. Ces fiches sont espacées à 1200 les unes des autres et constituent un moyen pour connecter les éléments de la sonde à un circuit extérieur au moyen d'un bouchon ordinaire de prise de courant du type à pression.
Des fils métalliques 12', 13', 14' sont soudés sur les différentes fiches après avoir soudé ainsi ces fils, on colle le bouchon 15 ou on le fixe autrement dans une position inva riable sur le carter, avec les fils métalliques passant à travers le tube. Des éléments détecteurs appropriés 16 et 17 sont portés respectivement par des coulisseaux circulaires 18 et 19, constitués par une matière isolante appropriée possédant un coefficient relativement faible de dilatation thermique. Chaque coulisseau est traversé par trois orifices longitudinaux, qui correspondent, au point de vue de l'orientation angulaire, aux trois fiches 12, 13 et 14; chaque coulisseau est usiné de façon à former les cavités respectives 20, 21 destinées à recevoir les éléments détecteurs.
Si on considère spécialement le coulisseau 18, on voit que des manchons 22, 23, 24 en acier inoxydable ont été introduits à travers les orifices longitudinaux de ce coulisseau et que leurs extrémités ont été ensuite évasées vers l'extérieur. Le diamètre extérieur de ces manchons 22, 23, 24 est tel que ceux-ci s'ajustent à frottement doux dans les orifices.
Ainsi, quand les extrémités des manchons ont été évasées vers l'extérieur, les manchons ne peuvent exécuter aucun mouvement latéral ou axial par rapport au coulisseau. D'autre part, à la température ambiante, le diamètre intérieur des manchons 22 à 24 est légèrement plus grand que celui des fils métalliques 12' à 14', grâce à quoi le coulisseau peut normalement coulisser librement le long des fils. Une aiguille indicatrice 25 est fixée sur le coulisseau au moyen de deux vis 26, qui traversent la fente 1 1 et se vissent dans des orifices taraudés du coulisseau.
Deux petites rondelles 27 peuvent être intercalées entre le coulisseau et le carter tubulaire 10. En pratique, il suffit que le jeu entre le coulisseau et la paroi interne du tube 10 soit égal à quelques centièmes de millimètre et il n'est pas nécessaire généralement d'utiliser les rondelles d'écartement 27. Les conducteurs de l'élément détecteur 16 sont soudés sur les extrémités évasées des manchons 22 et 23.
Le coulisseau inférieur 19 est construit comme le coulisseau 18, mais il est de préférence inversé par rapport à celui-ci, de manière que les éléments détecteurs 16 et 17 soient en face l'un de l'autre.
Pour assembler le dispositif, on fixe en position le bouchon supérieur 15 sur le carter tubulaire; à ce moment, les fils métalliques 12' à 14' s'étendent vers l'extérieur à partir de l'extrémité opposée du
carter. On introduit les extrémités libres des fils métalliques 12' à 14' à travers les manchons en acier inoxydable, portés par le coulisseau supérieur 18, on
introduit le coulisseau dans le carter 10, et on fixe
l'aiguille 25 sur le coulisseau au moyen des vis 26.
On introduit ensuite le coulis seau inférieur 19 par
dessus les fils 12' à 14', à l'intérieur du carter 10, puis on fixe sur ce coulisseau l'aiguille 28 au moyen
des vis 29. A ce moment, les fils métalliques 12' à
14' peuvent coulisser à travers les manchons des coulisseaux, même si ceux-ci sont fixés dans des
positions invariables par rapport au carter 10.
Un bouchon inférieur 30, en une matière isolante
appropriée, comporte un alésage central 31 et porte trois rivets creux 32 en cuivre. On introduit les fils
métalliques 12' à 14' à travers les rivets 32 et on
colle ou fixe solidement d'une autre manière le bou
chon 30 sur le carter tubulaire 10. On tend alors
chacun des fils métalliques 12' à 14' et on les soude
respectivement sur les rivets en cuivre 32, après quoi
on coupe la longueur en excès de chaque fil.
On voit maintenant que les coulisseaux, portant les éléments détecteurs, peuvent coulisser à l'intérieur
du carter et le long des fils métalliques tendus ; il suffit simplement, pour les faire coulisser, de desser
rer les vis 26 ou 29. Les aiguilles 25, 28 coopèrent
avec une graduation calibrée 33 ; ainsi, on peut pla
cer chaque élément détecteur à une distance prédé - terminée de la base de la sonde et on peut le fixer
dans sa position en serrant la vis correspondante 26 ou 29.
Les fils métalliques tendus 12' à 14', qui servent de guides pour le mouvement coulissant des coulis
seaux 18, 19, constituent aussi un moyen d'établir
des connexions électriques entre les éléments indivi
duels détecteurs et les fiches de connexion 12 à 14.
On choisit ces fils de manière que leur coefficient
de dilatation thermique soit considérablement inférieur à celui des manchons en acier inoxydable por
tés par les coulisseaux. Le diamètre de ces fils est tel qu'à la température ambiante ils s'ajustent à frot
tement doux et peuvent coulisser dans les manchons.
Cependant, aux températures du cryogène, les manchons en acier inoxydable se contractent davantage
que les fils métalliques associés, d'où il résulte la formation d'une jonction équivalente à une soudure
froide, et par conséquent d'une excellente connexion
électrique positive entre les manchons et les fils. Des
fils constitués par des alliages, tels que la manganine, le constantan, l'advance etc. sont satisfaisants, car ces alliages possèdent un faible coefficient de dilatation thermique et un coefficient thermique sensiblement nul de résistance électrique. Le coefficient thermique
particulier de résistance électrique de chaque fil ne
constitue pas un facteur critique, car les éléments
détecteurs particuliers sont choisis de façon que leur changement de résistance électrique, aux températures du cryogène, soit considérablement plus grand que celui des fils.
Une latitude considérable est lais
sée pour le choix des matières constituant les fils et les manchons; la seule exigence, à ce point de vue, est que la différence entre les coefficients de dilatation thermique des fils et des manchons soit relativement grande aux températures du cryogène.
Il faut remarquer que l'élément détecteur 16, porté par le coulisseau supérieur 18, est connecté aux manchons 22, 23, pouvant coulisser le long des fils 12' et 13'. De même, l'élément détecteur 17, porté par le coulisseau inférieur 19, est connecté aux manchons pouvant coulisser le long des fils 13' et 14'.
Ainsi, aux températures du cryogène, l'élément détecteur 16 peut être connecté au circuit extérieur par les fiches de connexion 12 et 13, tandis que l'élément détecteur 17 peut être connecté à ce circuit par l'intermédiaire des fiches 13 et 14. On voit que la sonde peut être utilisée avec un circuit ordinaire pour commander le niveau d'un liquide, entre deux niveaux définis par la position des coulisseaux par rapport à la graduation calibrée 33. La précision de la commande du niveau est déterminée simplement par le positionnement des deux éléments détecteurs, placés à des distances prédéterminées de la base de la sonde. On peut faire varier ces distances sur toute la longueur de la sonde et des connexions électriques positives sont établies sur les éléments détecteurs, à la température de fonctionnement de la sonde, sans utiliser les fils conducteurs ou câbles habituels.