FR2482292A1 - Dispositif et procede pour la determination optique de la temperature a l'aide d'une matiere phosphorescente - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR LA DETERMINATION OPTIQUE DE LA TEMPERATURE A L'AIDE D'UNE MATIERE PHOSPHORESCENTE. LEDIT DISPOSITIF COMPREND UN SUBSTRAT 20 RECOUVERT D'UNE MATIERE PHOSPHORESCENTE 40 ET PLACE DANS L'ENVIRONNEMENT DONT LA TEMPERATURE DOIT ETRE MESUREE, CETTE MATIERE, LORSQU'ELLE EST EXCITEE, EMETTANT UN RAYONNEMENT 41 DANS DES BANDES ISOLABLES A AU MOINSDEUX INTERVALLES DISTINCTS DE SA LONGUEUR D'ONDE ET AVEC DES INTENSITES RELATIVES VARIANT EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE LA MATIERE PHOSPHORESCENTE APPLICATION A LA MESURE DE LA TEMPERATURE D'OBJETS SANS CONTACT PHYSIQUE.

Description

La présente invention concerne en général les dispositifs et procédés pour

effectuer des mesures de la température et, plus particulièrement, des dispositifs et

procédés pour effectuer de telles mesures par des techni-

ques optiques utilisant des matières phosphorescentes sen-

sibles à la température.

Il existe de nombreux procédés servant actuelle-

ment pour la mesure de la température. La technique indus-

trielle la plus courante utilise des thermocouples, des thermistors ou des thermomètres à résistance permettant

d'engendrer des signaux électriques qui sont ensuite trans-

formés en des lectures de la température ou qui servent pour

des rôJes de contrôle ou de réglage.

Il est cependant parfois utile et quelquefois mê-

me essentiel d'obtenir par des techniques non électriques

des données concernant la température. Cela peut se produi-

re: (1) lorsqu'il faLu.t mesurer des températures dans de

larges intervalles et que la mesure à l'aide d'une distribu-

tion dense de thermocouples peut devenir alors peu pratique (2) lorsque la fixation des thermocouples et des fils de rattachement risque d'altérer les températures à mesurer (3) dans des milieux environnants dans lesquels, en raison de champs électriques ou magnétiques élevés, la présence de fils métalliques est inopportune; (4) lorsqu'on désire un

isolement électrique et/ou de l'insensibilité à la forma-

tion de bruits électriques; (5) lorsque, en raison du mou-

vement ou de l'éloignement de la pièce ou partie dont la température est à déceler, la présence de fils conducteurs permanents n'est pas pratique; ou (6) lorsque, en raison des milieux chimiques environnants corrosifs, les fils et

jonctions des thermocouples risquent de subir des influen-

ces adverses aboutissant à des variations des caractéris-

tiques électriques. Des techniques optiques deviennent

alors fréquemment préférables.

La technique optique la plus directe pour la me-

sutre de la température est la radiométrie dans l'infrarouge.

Cependant, lorsqu'il n'est pas possible, sans des milieux pou ant transmettre l'infrarouge, d'effectuer une mesure

d'une ligne de visée, les techniques faisant appel à l'in-

frarouge présentent un inconvénient. Dans un tel cas, il existe relativement peu de matière assez transparente au

rayonnement infrarouge à grande longueur d'onde pour consti-

tuer un trajet de conduction de l'infrarouge oe la zone o il faut déceler la température au détecteur d'infrarouge. En outre, les techniques infrarouges ne sont pas absolues

du fait qu'il faut connaître avec précision le pouvoir émis-

sif de la matière émettrice si des mesures radiométriques dans l'infrarouge peuvent être transformées en des lectures

de la température vraie.

Les pyromètres optiques peuvent également servir, mais seulement pour des sources très chaudes émettant un rayonnement visible. Les pyromètres optiques soulèvent les mêmes problèmes que les radiomètres de mesure du rayonnement

infrarouge lorsqu'il s'agit de parvenir à des mesures abso-

lues. Pour des mesures dans de grands intervalles, on

utilise parfois des matières phosphorescentes thermographi-

ques ou des cristaux liquides sous forme de pellicules, de peintures ou revêtements que l'on applique sur la surface à

mesurer. Des matières phosphorescentes thermographiques ty-

piques connues montrent une large fluorescence sous excita-

tion ultraviolette, cette fluorescence dépendant fortement

de la température en ce qui concerne l'intensité d'émission.

L'intensité de la fluorescence de cette émission diminue

fortement à mesure que la température s'élève dans un inter-

valle assez étroit de la température. Il est difficile d'é-

talonner de façon absolue une matière phosphorescente pour

la thermographie,en raison du fait que des variations d'ex-

citation, comme celles pouvant être dues à une instabilité

de la source, peuvent donner lieu à de mauvaises interpré-

tations les faisant considérer comme dues à une variation de la température. Les couleurs réfléchies par les cristaux liquides varient avec la température dans un intervalle

d'étroitesse semblable. Les deux types de matières souf-

frent du fait que, pour obtenir une grande sensibilité, l'intervalle dans lequel les matières fonctionneront bien

comme agents de détection de la température est nécessaire-

ment assez restreint en comparaison des matières d4ya pré-

sente invention. En outre, la plupart des matières formant des cristaux liquides sont relativement instables, et leurs propriétés physiques et chimiques peuvent varier au cours

d'une certaine période de temps. Bien que cela ne consti-

tue pas toujours un problème, il peut en être ainsi dans

des applications choisies.

- Donc, un but principal de la présente invention consiste à proposer les techniques pour des mesures de

températures éloignées à l'aide de techniques optiques plu-

tôt qu'électriques, ce qui permet d'éliminer les fils métal-

liques, les jonctions et connecteurs, évite des sources de bruits électriques et assure des mesures dans des intervalles

étendus aussi bien que des mesures ponctuelles.

Un autre but de la présente invention consiste à proposer un dispositif de mesure de la température à l'aide

d'une matière phosphorescente avec étalonnage interne per-

mettant de ne pas interpréter comme étant des variations de

la température des variations de l'intensité totale de fluo-

rescence avec le temps, comme celles risquant d'être dues à une variation d'excitation, des variations de transmission optique avec le temps ou des variations de la sensibilité

d'un détecteur de réception avec le temps.

Un autre but encore de la présente invention con-

siste à proposer un moyen pour mesurer des températures d'objets ou de milieux environnants sans que soit nécessaire un contact physique direct avec des fils électriques, comme

lorsque le point à mesurer est submergé dans un gaz ou li-

quide corrosif, doit être isolé électriquement ou thermique-

ment, se trouve sous vide ou est placé sur une pièce mobile

à laquelle des conducteurs permanents ne peuvent être commo-

dément connectés.

Enfin, un but de la présente invention consiste à proposer un moyen d'effectuer des mesures absolues de la température, avec étalonnage interne, sur des intervalles de la température qui sont plus grands que ce qui serait possible avec des matières phosphorescentes ou des cristaux

liquides thermographiques classiques.

On parvient à ces buts et à d'autres encore grâce aux techniques de la présente invention-selon laquelle, en général, un objet ou un environnement dont on doit mesurer

une température est muni d'une couche d'une matière phospho-

rescente qui, lorsqu'elle est excitée jusqu'à luminescence,

émet un rayonnement décelable dans deux ou plusieurs inter-

valles distincts de la longueur d'onde que l'on peut opti- quement isoler l'un de l'autre, avec une intensité relative d'émission dans ces intervalles de la longueur d'onde qui varie de façon connue en fonction de la température de la matière phosphorescente. Une telle matière phosphorescente peut être une seule composition phosphorescente présentant de telles caractéristiques ou bien, en variante, il peut s'agir de deux ou plusieurs ompositions phosphorescentes en

mélange physique qui, ensemble, montrent ces caractéristiques.

On préfère des matières phosphorescentes émettant des raies

fines ou nettes, comme les matières comportant des activa-

- teurs à base de terres rares. On peut ainsi obtenir un dis-.

positif pratique de mesure précise de température se situant

dans de larges intervalles, un intervalle normalement souhai-

té et compris entre -100 C et +4000C étant réalisable.

On décèle l'intensité de deux raies de ce genre de l'émission de la ou des matières phosphorescentes et l'on prend un rapport entre les signaux décelés. Là rapport peut être transformé en indication de la température selon les caractéristiques connues de la matière phosphorescente

en fonction de la température. Ce dispositif optique présen-

te de l'étalonnage interne car le fait que l'on utilise un rapport rend la technique relativement insensible à des variations de l'intensité totale des émissions de la ou des matières phosphorescentes, à des variations générales de la transmission optique ou à des variations de la sensibilité du détecteur de réception,pouvant parfois se produire. La

technique convient donc bien à des applications à des me-

sures de températures éloignées pendant de longues périodes

de temps.

L'utilisation de cette approche permet plusieurs

améliorations spécifiques concernant la mesure des tempéra-

tures et résoutdes problèmes jusqu'alors non résolus pour la mesure des températures. Selon une forme plus particulière de l'invention, on peut effectuer des mesures de températures éloignées et san.s contact concernant de grRndes surfaces, comme celles des modèles soumis à des essais en soufflerie, en appliquant la matière phosphorescente sous forme d'une peinture sur les surfaces qu'il faut surveiller. Le modèle est ensuite illuminé par un rayonnement d'excitation appro- prié et l'on effectue, à l'extérieur de la soufflerie, des mesures de l'intensité des raies luminescentes choisies de

la matière phosphorescente en des points choisis sur le mo-

dèle. On peut donc suivre l'échauffement de la surface du modèle sous l'influence d'un écoulement d'air passant sur ce modèle. Selon un autre aspect spécifique de l'invention,

celle-ci rend possible une mesure de températures ponctuel-

les éloignées. Des températures d'endroits très profondément enfoncés dans un appareil, par exemple, sont extrêmement difficiles à mesurer et elles n'ont donc pas été mesurées dans des milieux environnants dans lesquels on ne peut pas utiliser des fils métalliques. Un tel milieu environnant

se trouve dans de grands transformateurs d'énergie électri-

que qui sont fermés et remplis d'une huile, qui fonctionnent à des températures élevées, et présentent des niveaux élevés

de champs électriques et magnétiques ne tolérant pas l'in-

sertion de parties métalliques quelconques d'un appareil plus classique de mesure dcia température. Selon la présente

invention, la matière phosphorescente est formée à l'inté-

rieur d'un petit capteur ou détecteur à l'extrémité d'un câble optique à longues fibres. Le capteur ou détecteur est ensuite immergé dans l'endroit du transformateur o il faut effectuer une mesure ponctuelle de la température. La matière phosphorescente est associée au détecteur grâce au câble optique à fibres et les mesures de la luminescence de la matière phosphorescente sont effectuées à l'extérieur de

l'appareil (transformateur).

La présente invention n'a été décrite que de fa-

çon très générale. D'autres buts, avantages et caractéristi-

ques de l'invention apparaîtront à l'examen de la descrip-

tion détaillée suivante de forme préférée de réalisation

des divers aspects de la présente invention, description

faite en regard des figures annexées o:

la figure 1 est un diagramme synoptique illus-

trant, en général, les aspects fondamentaux de la présente invention; la figure 2 montre des courbes illustrant le spectre d'émission fluorescente à deux températures diffé- rentes d'une matière phosphorescente du type oxysulfure de lanthane avec dopage à l'europium, lorsqu'il y a excitation par un rayonnement ultraviolet (ordonnées: intensité d'émission; abscisses: longueur d'onde, en AngÈtrbms courbe supérieure: à 2950C pour La202S (à 0,1 de Eu courbe inférieure: à 770C);

la figure 3 montre des courbes illustrant l'in-

tensité relative de fortes raies d'émission spécifique (en ordonnées) provenant de certaines matières phosphorescentes du type oxysulfure de terres rares, lorsqu'il y a excitation grâce à un rayonnement convenable (les températures sont

en abscisses, en degrés C, la flèche indiquant la tempéra-

ture ambiante);

la figure 3}A est une courbe du spectre d'excita-

tion d'un échantillon (abscisses: intensité relative de

j'émission par la matière phosphorescente; ordonnées: Ion-

gueur d'onde du rayonnement d'excitation) pour un oxysulfure de terres rares présentant une seule raie de rayonnement émis sous l'influence d'une excitation; la figure 4 illustre schématiquement une forme spécifique de réalisation de la présente invention o l'on effectue la mesure au loin de la température de la surface d'un modèle, en soufflerie

la figure 5 montre une forme spécifique du détec-

teur optique 103 du dispositif de mesure de la température selon la figure 4; la figure 6 montre une autre forme spécifique d'un détecteur optique 103 du dispositif de mesure de la température selon la figure 4; la figure 7 illustre schématiquement un grand transformateur d'énergie électrique dans lequel il y a un-e

forme de réalisation de la présente invention pour la mesu-

re éloignée de températures ponctuelles du transformateur la figure 8 montre un dispositif de détection de

la température d'une matière phosphorescente et un dispo-

sitif optique pour cette détection, constituant une forme d'un dispositif de mesure de la température selon la figure 7; la figure 8A illustre une variante du dispositif de mesure de la température selon la figure 8 la figure 9 montre une variante du dispositif de mesure de la température selon la figure 8 9

la figure 10 montre une autre variante du dispo-

sitif de mesure de la température selon la figure 8 la figure 11 illustre un dispositif rotatif dont on mesure la température interne selon un autre aspect de la présente invention, la figure 12 illustre une courroie mobile dont on mesure la température selon un autre aspect de la présente invention

la figure 13 illustre n autre aspect de la pré-

sente invention selon lequel on mesure la température d'un fluide en écoulement la fioure 14 illustre l'application de la présente invention à un dispositif comprenant un fourreau amovible pour la sonde de température; et

la figure 15 illustre une application de la pré-

sente invention à la surveillance de monitorage d'une tem-

pérature interne d'un spécimen biologique soumis à un trai-

tement de chauffage.

On trouvera ci-après une description détaillée des

formes préférées de réalisatio- de l'invention.

En se référant à la figure 1, on y voit l'illus-

tration des caractéristiques fondamentales de tous les di-

vers aspects de la présente invention. Dans un milieu en-

vironnant 1, il y a un objet solide 20 comportant, sur au

moins une portion, un revêtement 40 de matière phosphorescen-

te. La matière phosphorescente se caractérise par le fait que, lorsqu'elle est excitée, elle émet un rayonnement électromagnétique dans des largeurs de bandes séparables en deux ou plusieurs longueurs d'ondes distinctes et avec des intensités relatives,dans ces bandes,qui varient selon une

fonction connue de la température de la matière phosphores-

cente 40. Ainsi, la température de la matière phosphorescen-

te 40 que l'on décèle est la même que la température de l'objet 20 ou est liée à cette température de l'objet 20

et, dans certaines applications, c'est également la tempé-

rature du milieu environnant 1. Une telle émission luminescente par la matière phosphorescente 40 se trouve sous forme d'un rayonnement électromagnétique 41, généralement dans le spectre visible

ou au voisinage du spectre visible. Cette émission est ex-

citée par une source 60 agissant selon un trajet 61. La source peut être une matière radioactive, une source de rayons cathodiques, une source d'énergie électromagnétique

dans l'ultraviolet ou n'importe quelle source éloignée pro-

duisant une fluorescence efficace selon le type particulier

de la matière phosphorescente utilisée dans les formes pré-

férées de la présente invention. Les intensités relatives de

deux bandes distinctes de longueur d'onde dans le rayonne-

ment émis 41 contiennent l'information voulue concernant la température.

Le rayonnement émis 41 est rassemblé par un dispo-

sitif optique 80 et il est dirigé sous une forme 81 sur un bloc 100 comportant des filtres optiques et des détecteurs de rayonnement. Le bloc 100 contient des filtres pour isoler chacune des deux bandes ou raies intéressantes se trouvant

dans le rayonnement 81 et contenant les informations concer-

nant la température. Après leur isolement, l'intensité de chacune de ces bandes ou raies est décelée, ce qui aboutit à deux signaux électriques séparés dans les lignes 101 et 102, un signal étant proportionnel à l'intensité du rayonnement

dans l'une des deux bandes et l'autre signal étant propor-

tionnel à l'intensité du rayonnement dans l'autre des deux

bandes intéressantes.

Ces signaux électriques sont ensuites appliqués à un circuit 120 de traitement électronique des signaux. Dans

une forme préférée, les circuits 120 de traitement des si-

gnaux forment, grâce à l'utilisation de montages disponi-

bles de façon routinière, un rapport entre les signaux des lignes 101 et 102.-Ce signal électronique concernant le rapport est ensuite appliqué à un dispositif de traitement des signaux se trouvant dans le bloc 120. Le dispositif de traitement des signaux est un dispositif analogique ou numérique qui contient la relation entre le rapport des

deux intensités des lignes ou raies en fonction de la tempé-

rature pour la matière phosphorescente particulière 40 utili-

sée. Cette fonction est obtenue grâce à des données d'éta-

lonnage de la matière phosphorescente particulière 40. La sortie du dispositif de traitement des signaux, dans une ligne 121, est donc représentative de la température de la matière phosphorescente 40. Le signal de la ligne 121 est

appliqué à un dispositif de lecture 140 qui montre ou affi-

che la température de la matière phosphorescente 40. Le dis-

positif 140 peut être n'importe lequel des divers disposi-

tifs connus de lecture, comme un affichage numérique ou ana-

logique de la température dans un certain intervalle défini.

Le dispositif 140 peut même être aussi élaboré qu'une image

de télévision à code de couleur, dans laquelle chaque cou-

leur présente un intervalle étroit de la température à la surface de l'objet. Il peut s'agir également d'une image de

télévision conservée sur un disque ou sur un ruban.

Matières phosphorescentes préférées et leurs caractéristiques La caractéristique fondamentale d'une matière phosphorescente à utiliser dans la présente invention est que, sous l'influence d'une excitation appropriée, cette matière émet un rayonnement dans au moins deux intervalles

différents de longueur d'onde que l'on peut optiquement iso-

ler l'un de l'autre et, en outre, que les variations d'in-

tensité du rayonnement dans chacune de ces deux intervalles

au moins de la longueur d'onde, en fonction de la tempéra-

ture de la matière phosphorescente, sont connues et diffè-

rent d'un intervalle à l'autre. On préfère une matière phos-

phorescente qui se caractérise encore par le fait qu'elle émet un rayonnement dans chacune de ces deux bandes au moins de longueur d'onde en présentant des bandes ou raies nettes qui s'élèvent d'une émission essentiellement nulle de chaque côté jusqu'à une intensité maximale de la raie, l'ensemble se situant en moins de 100 A. Les raies sont faciles à isoler et elles ont leur propre largeur de bande définie. Mais des mélanges d'émetteurs à larges bandes, oomme les matières phosphorescentes plus classiques qui

ne sont pas à base de terres rares, peuvent également ser-

vir tant que l'on peut séparer suffisamment l'un de l'autre deux intervalles différents de la longueur d'onde d'émission des deux matières de façon à pouvoir disposer d'un rapport entre les intensités et tant que les dépendances (à l'égard

de la température) de l'arrêt brutal d'émission sont suffi-

samment différentes dans le cas de chacun des deux produits phosphorescents.

Pour un dispositif pratique de mesure de la tempé-

rature, la matière phosphorescente que l'on choisit doit également émettre un rayonnement dans la région du spectre visible ou au voisinage de la région visible,puisque c'est le rayonnement le plus facile à déceler avec des détecteurs disponibles et puisque le rayonnement dans cette région est

facilement transmis par des fenêtres, des fibres, des lentil-

les, etc., en verre ou en quartz. Il est souhaitable aussi

que la matière phosphorescente choisie puisse émettre effi-

cacement un tel rayonnement en réponse d'une forme utile et pratique d'excitation de-la matière phosphorescente. On

choisit aussi de façon souhaitable la matière phosphorescen-

te particulière ou le mélange des matières phosphorescentes de façon que la variation relative de densité de l'émission du rayonnement dans les deux intervalles de la longueur

d'onde soit maximale dans l'intervalle de température à me-

surer. La matière phosphorescente doit également être dura-

ble, stable et capable de reproduire essentiellement les mêmes résultats d'un lot à un autre. Dans le cas de la transmission de l'émission phosphorescente par des fibres optiques, comme décrit ci-après dans des formes spécifiques de réalisation, il est souhaitable de choisir une matière phosphorescente émettant des raies nettes et dont les raies ont des longueurs d'ondes voisines les unes des autres de façon que toute atténuation éventuelle de la fibre optique, dépendant des longueurs d'ondes, n'influe pas nettement sur

les résultats mesurés en une position éloignée de la matiè-

re phosphorescente, ce qui élimine ou réduit la nécessité

d'une compensation de l'intensité risquant d'être néces-

saire si l'on utilise des fibres de longueurs variables.

La composition d'une matière phosphorescente capable d'assurer les caractéristiques précitées peut être

représentée très généralement par la description de com-

positions chimiques génériques A xByCz o A représente un ou plusieurs éléments d'anion(s), B représente un ou plusieurs éléments de cation(s) formant ensemble un composé hôte non

métallique approprié et C représente un ou plusieurs élé-

ments d'activation compatibles avec la matière formant

l'hôte. x et y sont des nombres entiers petits et z est ty-

piquement de l'ordre de quelques centaines ou est un nombre

plus petit.

Il existe un grand nombre de composés phosphores-

cents connus parmi lesquels on peut choisir par tâtonnement ceux satisfaisant aux caractéristiques fondamentales étudiées

ci-dessus. Un groupe préféré d'éléments dans lequel on choi-

sit l'élément C d'activation est formé par n'importe les-

quels des éléments des terres rares ayant une couche d'é-

lectrons f non complètement remplie,et qui ont tous des émissions de rayonnements formés de raies nettes et isolables présentant une largeur de bande égale ou inférieure à 10 A. Certains

de ces éléments de terres rares qui ont des émissions rela-

tivement fortes dans le spectre visible ou au voisinage du spectre visible sont préférés pour des raisons de commodité de détection et ce sont, typiquement sous forme trivalente le praséodyme (Pr), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho) , l'erbium (Er) et le thulium (Tm). D'autres activateurs qui ne sont

pas des terres rares, qui ont comme caractéristiques d'é-

mettre des raies nettes ou aiguës et qui peuvent être po-

tentiellement utiles dans la présente inventionepeuvent com-

prendre l'uranium (U) et le chrome (Cr)O L'élément d'ac-

tivation est combiné à une matière compatible constituant l'hôte, en une concentration un peu inférieure à 10 atomes A

par rapport aux autres anions présents et, plus habituelle-

ment, en une proportion inférieure à 1 atome O, selon les

éléments particuliers d'activation et les composés particu-

liers que l'on choisit comme hôte.

Une classe particulière de compositions que l'on

peut inclure dans la couche phosphorescente 40 est une ma-

tière phosphorescente à base de terres rares ayant la com-

position (TR)202S:X, o TR est un élément choisi parmi le lanthane (La), le gadolinium (Gd) et l'yttrium (Y), et X

est un élément de dopage choisi parmi les éléments de ter-

res rares énumérés au paragraphe précédent et qui est pré- sent en une concentration comprise entre 0,01 et 10,0 atomes Do pour remplacer l'élément des terres rares (TR). Une portion plus usuelle de cet intervalle de concentration se situera à une valeur inférieure à 1,0 atome '% et, dans certains cas, à moins de 0,1 atome %. La concentration est choisie pour les caractéristiques particulières d'émission que l'on

souhaite pour une application donnée.

Une telle composition phosphorescente peut être en suspension dans un liant nitrocellulosique pour servir

* dans dès milieux environnants ayant des températures infé-

rieures à environ 490C et dans un liant de silicate pour

des applications à de plus fortes températures.

Un exemple spécifique d'une telle matière pour la couche phosphorescente 40 de la figure 1, qui convient

très bien pour de nombreuses applications, est de l'oxysulfu-

re de lanthane avec dopage par de l'europium (La202S:Eu), o l'europium est présent à raison d'l atome % jusqu'à 0,1 atome % pour remplacer le lanthane. Les courbes 42 et 43 de la figure 2 (ordonnées: intensité (I) de l'émission; abscisses: longueur d'onde en Angstr5ms) indiquent, pour deux températures séparées de la matière phosphorescente, l'intensité de l'émission de cette matière phosphorescente

en fonction de la longueur d'onde. La matière phosphores-

cente était sous forme d'une poudre finement cristalline

excitée par des électrons. Le rayonnement émis a été analy-

sé à l'aide d'un appareil de mesure monochromatique à ba-

layage puis à l'aide d'un détecteur photomultiplicateur. La matière particulière dont la figure 2 illustre le spectre d'émission par fluorescence est de l'oxysulfure de lanthane

avec 0,1 atome 'n d'europium remplaçant le lanthane.

La courbe 42 de la figure 2 montre le spectre

d'émission d'une telle matière à 2950K, qui est la tempé-

rature ambiante. La courbe 43 de la figure 2 montre les

spectres d'émission de la matière à 770K, qui est la tem-

pérature extrêmement froide de l'azote liquide. IH con-

vient de noter que les caractéristiques spectrales de l'é- mission sont très diffé rentes à ces deux températures,et ces variations

continuent à se produire lorsque la matière phosphorescente est portée à une température supérieure à

la température ambiante.

Les raies fluorescentes à bande étroite de lon-

gueur d'onde qui sont particulièrement utiles pour la me-

sure de la température, comme on le remarque en examinant les courbes de la figure 2, se situent à environ 4680 A, o O O 5379 A, 5861 A (en fait il s'agit d'un doublet) et 6157 A. Les intensités relatives de ces raies varient en fonction de la température de la matière phosphorescente,et ce sont ces intensités relatives qui donnent l'information touchant

la température dans les diverses formes de la présente in-

vention.

Dans les formes préférées de l'invention, on dé-

termine les intensités relatives d'au moins deux des raies spectrales à largeur étroite de bande qui conviennent en prenant le rapport entre les intensités décelées pour deux des raies. Les deux raies doivent ne pas se superposer et leurs longueurs d'ondes doivent être assez séparées pour

qu'on puisse en mesurer les intensités de façon indépendante.

En se référant à la figure 3 (ordonnées: intensité relati-

ve; abscisses: température en degrés C) on voit que les

intensités des quatre raies spectrales identifiées à la fi-

gure 2 sont présentées en fonction de la température de la matière phosphorescente (courbes 51, 53 et 54). En outre, la courbe 44 de la figure 3 montre un rapport entre les deux o. raies spectrales 52 et 51, respectivement, à 5379 A et

4680 A en fonction de la température. C'est une caractéris-

tique du genre de celle illustrée par la courbe 44 qui per-

met des mesures précises de température avec pré-étalonnage lorsqu'on prend ou forme un rapport entre deux raies spectrales. De même, si l'on effectue le rapport entre les deux autres raies o spectrales 52 et 51, respectivement, à 6157 A et à 5861 A, les caractéristiques du rapport résultant en fonction de la

température sont données par la courbe 45. Ainsi qu'il res-

sort de la figure 3, le rapport représenté par la courbe 44 varie fortement dans un intervalle de la température se situant entre -750C et + 500C. Le second rapport, indiqué par la courbe 45 varie, pour sa part, fortement avec la température dans l'intervalle compris entre environ + 500C et +3001C. Donc, les raies spectrales particulières de l'émission fluorescente de la matière phosphorescente que l'on utilise dépendent de l'intervalle de température que

l'on prévoit de surveiller.

A la figure 3, on voit, èn fonction de la température de la ma-

tière phosphorescente, les intensités de deux raies spec-

trales, les raies d'émission 55 (à 4680 A) et 56 (à 5379 A)

pour de l'oxysulfure de gadolinium avec dopage par de l'euro-

pium (Gd202S:Eu). L'europium est présent à raison de 0,1

atome % d'europium remplaçant du gadolinium.

L'intensité de la raie d'émission à 4680 A de l'oxysulfure d'yttrium avec dopage par de l'europium (Y202S:Eu) est montrée par la courbe 57 de la figure 3, o l'europium est présent à raison de 0,1 atome % d'europium remplaçant de-l'yttrium. L'intensité de la raie d'émission a à 5379 A est montrée pour Y 202:Eu par la courbe 58. Une

raie utile pour servir de référence (pour effectuer un rap-

port) dans le cas de Y 202S:Eu est la raie à 6157 A représen-

tée par la courbe 59. Les courbes 55, 56, 57 et 58 montrent des caractéristiques d'intensité d'émission, dépendant de

la température et que l'on peut utiliser pour des interval-

les de température différents de ceux correspondant à la matière comportant du lanthane et donnant des courbes 51 et

52. Ces oxysulfures supplémentaires sont les matières sur-

tout utilisables dans les portions à variation rapide de leurs courbes lorsqu'on se réfère à une raie comme la raie à o

6157 A. Les différences des intervalles utiles de températu-

re pour ces matières-sont importantes lorsqu'on choisit une matière optimale pour une application spécifique. La raie 55 on (à 4680 A) de l'oxysulfure de gadolinium, par exemple, est

particulièrement avantageuse pour la mesure d'une tempéra-

ture médicale puisque des variations particulièrement rapi-

des se produisent avec une bonne intensité de signaux dans

l'intervalle des températures correspondant au corps humain.

On notera en examinant la figure 3 que chacun des oxysulfures de gadolinium, de lanthane et d'yttrium est une matière présentant le même dopage, à savoir 0,1 atome % d'europium. Cependant, des expériences effectuées

avec des matières présentant des proportions très différen-

tes d'europium de dopage indiquent que les dépendances à l'égard de la température ne subissent pas une influence importante due à la proportion des atomes de dopage0 Comme

on peut le voir, les caractéristiques de la matière en fonc-

tion de la température dépendent beaucoup de la matière constituant l'hôte phosphorescent, ainsi que du choix de

l'ion d'activation, ce qui permet, grâce au choix de la ma-

tière constituant l'hôte approprié, de rendre optimaleepour une application particulière les caractéristiques en fonction

de la température.

La figure 3A montre, pour les oxysulfures des

terres rares constituant les matières phosphorescentes étu-

diées ci-dessus, une caractéristique typique d'intensité de lumière émise' C'est l'intensité d'émission pour une raie de longueur d'onde particulière (en ordonnées) en fonction

de la longueur d'onde du rayonnement d'excitation de la ma-

tière phosphorescente (en Angstrâms, en abscisses). On peut voir que la plus grande intensité est obtenue lorsque la

matière phosphorescente est excitée par un rayonnement ul-

traviolet (UV). On préfère donc le rayonnement à l'ultravio-

let pour exciter la matière phosphorescente dans la plupart des cas. Mais certains dispositifs optiques utilisables

pour transmettre le rayonnement d'excitation ont des per-

tes considérables du rayonnement ultraviolet en comparaison

des pertes dans l'intervalle ou le spectre visible. Une gran-

de longueur de fibres optiques, comme une longueur supérieu-

re à 100 mètres, pourrait se trouver dans un tel dispositif.

Lorsque les pertes sont assez grandes, il peut être préfé-

rable d'exciter la matière phosphorescente à l'aide du rayonnement visible, comme par exemple avec les bandes

d'excitation de la région du bleu (B) ou du vert (V) re-

présentée à la figure 3A (R = rouge). Même si l'efficacité

résultant de cette excitation est, pour le rayonnement vi-

sible, inférieure à ce que l'on obtient grâce à un rayonne-

ment à l'ultraviolet, la meilleure transmission du spectre visible par une longue fibre optique peut compenser cette différence. Afin de déceler et de mesurer de façon adéquate ces rapports entre les raies spectrales sans que les raies adjacentes d'émission ne provoquent une interférence ou une gêne, il faut tout d'abord faire passer le rayonnement

fluorescent 41 et 81 de la figure l,faisant partie du dis-

positif optique 100, à travers un filtre optique comme un

monochromateur ou un groupe de filtres d'interférences choi-

si de façon à isoler les intervalles choisis de longueur d'onde dans lesquels les raies spectrales intéressantes se

situent. Il ressort des caractéristiques de la matière phos-

phorescente illustrée à la figure 2 que pour les raies à 4680

D O O O

A, 5861 A et 6157. A, un filtre passe-bande de l'ordre de 50 A de largeur convient bien pour la séparation. En plus de la séparation, il peut s'avérer souhaitable aussi de corriger au sein du bloc 100 les intensités de raies mesurées afin de tenir compte d'un fort rayonnement pouvant éventuellement être présent comme fond, comme le rayonnement provenant de la lumière éclairant la pièce ou de la lumière diurne. Pour

cela, il peut s'avérer souhaitable dans certains cas de me-

surer en outre l'intensité du rayonnement vu à travers le monochromateur ou le filtre que l'on utilise lorsque ce dispositif est accordé à une région spectrale voisine des raies de fluorescence mais o l'on ne s'attend à aucun rayonnement de fluorescence. Un exemple, lorsqu'on utilise

la matière fluorescente dont les caractéristiques sont il-

lustrées à la figure 2, se trouve dans la région de 6000 à a 6100 A. En variante, on peut déterminer le fond en arrêtant le fonctionnement de la source d'excitation et en regardant à travers les deux filtres. Le rayonnement de fond que l'on peut ainsi éventuellement mesurer peut alors être soustrait des intensités des raies à 5861 et à 6157 A que

l'on mesure pour donner un rapport plus correct pour ser-

vir à la mesure de la température.

On peut également utiliser, à titre de variante, un mélange physique de compositions phosphorescentes afin d'obtenir les caractéristiques voulues de température. On

peut, par exemple, comparer l'intensité d'une raie d'é-

mission provenant d'une composition ou d'un composé du mélange avec l'intensité de la raie d'un autre composé ou

d'une autre composition afin d'avoir les meilleures carac-

téristiques de mesurage dans un intervalle donné de la température. En variante, on peut utiliser deux raies d'é-

mission provenant de chacune des deux compositions phospho-

rescentes, en comparant dans un intervalle de la températu-

re les raies provenant d'un composé/ou d'une composition et en comparant dans un intervalle adjacentde la température

les raies provenant de l'autre composé ou de l'autre compo-

sition. Par exemple, on peut utiliser un oxysulfure de lanthane, de gadolinium ou d'yttrium dopé par du terbium

comme constituant un composé ou une composition en combinai-

son avec de l'oxysulfure de lanthane, de gadolinium ou d'yt-

trium, dopé par de l'europium, et constituant l'autre com-

posé ou l'autre composition.

Les matières phosphorescentes mentionnées ci-des-

sus ont l'avantage d'être relativement inertes et stables.

Les raies d'émission de la matière phosphorescente sont dans le visible ou dans la région voisine du visible et ainsi la transmission sur de longs trajets dans de l'air,

à travers l'eau et d'autres liquides ou à travers de lon-

gues fibres optiques ou à travers des optiques en verre ou en quartz est possible. Une telle matière phosphorescente diffère de matières phosphorescentes plus classiques du fait qu'elle émet des spectres formés de raies très fines ou nettes que l'on peut facilement isoler optiquement les unes des autres,

et la dépendance, à l'égard de la température, des intensi-

tés des raies à une longueur d'onde particulière est très grande par rapport à la dépendance à d'autres longueurs

d'ondes dans un intervalle donné de la température présen-

tant un intérêt pratique. D'autres matières phosphorescen-

tes ayant ces caractéristiques peuvent servir aussi bien pour faire Partie de la technique et de la structure des

divers aspects de la présente invention.

Mesures éloignées et sans contact de températures superfi-

cielles En se référant à la figure 4, on voit un objet 21 situé dans un milieu environnant 2 et dont la surface extérieure est peinte à l'aide d'une matière phosphorescente

46. En surveillant l'émission de la matière phosphorescente,.

lorsque celle-ci est excitée de façon appropriée, on peut surveiller la température superficielle de l'objet 21 en étant placé à grande distance et sans contacter l'objet 21. Dans l'exemple particulier montré à la figure 4, l'objet 21 est un modèle aérodynamique disposé dans un milieu environnant 2 qui est une soufflerie d'essai. La température en surface que l'on surveille sur le modèle 21 donne des renseignements concernant l'effet de l'écoulement de l'air sur

l'échauffement de la surface du modèle.

La matière phosphorescente peinte à la surface du modèle 21 est excitée jusqu'à luminescence par le rayonnement provenant des lampes à ultraviolet 62 et 63. Dans certains cas, on pourrait tout aussi bien utiliser un laser ultraviolet,

en particulier pour effectuer des mesures sur des points choi-

sis d'un objet. Le rayonnement ultraviolet provenant des lam-

pes 62 et 63 passe, respectivement, par des fenêtres 64 et 65 qui sont transparentes à l'énergie ultraviolette de sorte

que ce rayonnement peut pénétrer dans la soufflerie 2 et par-

venir au modèle 21. Une autre fenêtre 82 permet le rassem-

blement par un dispositif optique, représenté par les lentil-

les 83 et 84, du rayonnement émis par la matière phosphores-

cente se trouvant à la surface du modèle 21. Le rayonnement

collecté 85 est ensuite dirigé sur un dispositif 103 compor-

tant des filtres et un détecteur. Le dispositif à filtres et à détecteur 103 est semblable au dispositif à filtres et

détecteurs 100 antérieurement décrit à propos de la figure 1.

La figure 5 illustre des détails d'une forme du dispositif à filtres et détecteurs 103. Une roue à filtres 104 est disposée sur le trajet du rayonnement 85 provenant de la matière phosphorescente. La roue 104 comporte au moins deux filtres différents 105 et 106 espacés sur des zones différentes de la roue 104, de sorte que, lorsque cette roue est mise en rotation par le moteur 112, les filtres 105 et 106 traversent alternativement le faisceau 85. Les filtres

et 106 sont conçus comme étant des filtres laissant pas-

ser des bandes étroites permettant de choisir deux raies spectrales

différentes de la matière phosphorescente que l'on utilise.

Les deux raies choisies dans l'émission de la ma-

tière phosphorescente sont ainsi appliquées à certains in-

tervalles de temps à un détecteur 107 dont la sortie est appliquée à un circuit électronique 108. Le détecteur peut être un photomultiplicateur ou une photodiode au silicium pouvant ne fournir qu'une moyenne de l'intensité des raies particulières choisies sur la totalité de l'objet 21 ou bien le détecteur 107 peut être quelque autre dispositif, comme un dissecteur d'image ou une caméra de télévision, pouvant transformer l'image optique de l'objet 21, telle qu'elle est

vue par les raies choisies d'émission, en une courbe d'inten-

sité à deux dimensions. L'utilisation des détecteurs de ce dernier type présente l'avantage de permettre une détection

de la température sur chaque point de''objet 21 séparément.

Le dispositif électronique 108 reçoit un signal synchrone pro-

venant du détecteur 111 qui lui indique lequel des deux fil-

tres 105 et 106 se trouve à tout instant devant le détecteur 107. Cela permet au dispositif électronique 108 de développer

deux signaux 109 et 110 représentant, respectivement, les in-

tensités des deux raies choisies dans l'émission de la matiè-

re phosphorescente.

La figure 6 montre une autre forme du dispositif à

filtres et détecteurs de la figure-4. Dans la forme représen-

tée à la figure 6, un séparateur de faisceau ou un miroir dichroïque 90 est disposé sur le trajet du- faisceau 85 de

l'émission fluorescente de la matière phosphorescente de sor-

te que des fractions connues de l'intensité du faisceau par-

tent dans chacune des deux directions. Une direction traver-

se un filtre 115 et parvient à u-n détecteur unique 116 pour développer un signal électrique 110'. L'autre-trajet traverse un filtre 113 pour parvenir à un second détecteur 114 afin de développer un signal 109'. Chacun des filtres 113 et 115 est choisi de façon à permettre le passage à travers lui de l'une ou de l'autre des deux raies choisies de l'émission spectrale de façon que ces raies parviennent à leur détecteur respectif. Les signaux de sortie dans les lignes 109 et 110

des figures 4 et 5 et 109' et 110' de la figure 6 sont ap-

pliqués à des circuits appropriés de traitement et de lecture de signaux, comme décrit à propos des blocs 120 et 140 de la figure 1. Le dispositif de lecture dépendra, bien entendu,

du type de détecteur utilisé, et il peut s'agir d'un appa-

reil donnant une image de télévision ou d'un milieu d'enregis-

trement vidéo si le détecteur 107 est une caméra de télévision.

Mesure de températures de points éloignés Il existe de nombreuses applications de grandes machines et appareils o l'on désire surveiller la température

en un ou plusieurs points dans l'appareil pendant que celui-

ci fonctionne. Des grands appareillages sont particulièrement onéreux. Une rupture ou une panne due à une surchauffe locale est très ennuyeuse et onéreuse. Si l'on peut déceler une telle surchauffe locale avant que des dégâts quelconques se soient

produits, on peut alors déterminer la cause de cette surchauf-

fe, ce qui évite des arrêts plus onéreux de l'équipement. La

surveillance de la température globale ou moyenne de l'équi-

pement grâce à la surveillance de la température de l'eau ou de l'huile de refroidissement, par exemple, ne fournit pas les renseignements nécessaires dans la plupart des cas,car la surchauffe risque d'élever la température d'une faible partie de la machine, Jusqu'à un niveau excessif et qui risque de provoquer des dégâts,-sans élever d'une façon décelable la

température moyenne.

Un tel élément d'équipement, o l'on a depuis long-

temps besoin d'une telle mesure des températures ponctuelles, se trouve dans le cas des grands transformateurs d'énergie électrique dont certains sont capables de traiter plusieurs

mégawatts d'énergie électrique. La destruction d'un tel élé-

ment d'équipement est non seulement très onéreuse,mais elle

peut nettement rompre une grande portion d'un réseau de dis-

tribution d'une société de fourniture d'énergie électrique.

Le problème n'a pas été résolu de façon satisfaisante aupa-

ravant puisque des transformateurs électriques, comme c'est le cas pour un autre équipement électrique à grande tension,

ne peuvent tolérer la présence, dans l'équipement, de conduc-

teurs électriques risquant de troubler les champs électriques

et magnétiques ou risquant de créer un potentiel pouvant pro-

voquer des courts-circuits. Donc, on a besoin d'un dispositif

non métallique pour repérer localement les températures ponc-

tuelles et qui peut servir à l'intérieur des transformateurs d'énergie électrique ou à l'intérieur d'autres types de gros

équipements électriques.

La figure 7 montre de façon très générale un tel

transformateur. Une épaisse enveloppe externe d'acier 7 con-

tient un noyau de transformateur 6 comportant tout autour des bobinages 4 et 5. L'ensemble du noyau et des bobinages ou enroulements est submergé dans un bain d'huile 3 qui sert à

l'isolement et au refroidissement. Afin de surveiller la tem-

pérature d'un point donné à l'intérieur d'un tel transforma-

teur, on prévoit un seul sondeur 22 selon un autre aspect de la présente invention. Le sondeur 22 est relié à une extrémité d'un faisceau 86 de longues fibres optiques. Le sondeur 22 peut être construit sans comporter aucune partie métallique et il est optiquement relié par le faisceau des fibres 86 à un

dispositif approprié 100' à filtres et détecteurs, un cir-

cuit 120' de traitement de signaux électriques et un disposi-

til 140' de lecture directe de la température.

La figure 8 montre une coupe du sondeur 22 de tem-

pérature; ce sondeur contient une matière phosphorescente 47 en communication optique avec une extrémité du faisceau 86 des fibres optiques. Cette extrémité des fibres optiques

ainsi que la matière phosphorescente sont toutes deux enfer-

mées dans une matière céramique ou en verre qui convient pour former une sonde que l'on peut insérer dans un transformateur

ou dans-une autre machine. La sonde est soumise à la tempéra-

ture à mesurer;et la matière phosphorescente, qui fait partie

de cette sonde, répond comme décrit ci-après avec des varia-

tions relatives de l'intensité de ses raies de rayonnement

spectral en fonction de la température.

Le rayonnement émis à la sortie de la matière phos-

phorescente 47 est obtenu à une extrémité opposée du faisceau des fibres 86 par une lentille 87 qui dirige le rayonnement d'émission à travers un miroir de séparation du faisceau ou miroir dichroique 88, à travers une autre lentille 89-et de là vers un dispositif déjà décrit à propos de la figure 6 et qui comprend un séparateur de faisceau ou miroir dichroique , deuWfiltres 113 et 115 et deux détecteurs de rayonnement

114 et 116.

Afin d'exciter la matière phosphorescente 47 pour qu'elle émette les raies voulues, la forme de réalisation représentée à la figure 8 utilise une source 66 de lumière ultraviolette dont la sortie est dirigée par une lentille 67, traverse un filtre à ultraviolet à large bande 68 qui bloque toute la lumière, sauf l'ultraviolet et, de là, sur le sépa- rateur de faisceau ou miroir dichroique 88. L'élément 88 est

conçu de façon à transmettre la lumière visible mais à ré-

fléchir la lumière ultraviolette de sorte que la configura-

tion optique montrée à la figure 8 utilise avantageusement

une telle caractéristique. Le rayonnement ultraviolet est ré-

fléchi par l'élément 88, dirigé à travers la lentille 87 dans le faisceau des fibres optiques 86 et transmis en passant par ce faisceau à la matière phosphorescente 47 pour en exciter

l'émission luminescente qui donne sous forme codée, comme dé-

crit ci-dessus, les renseignements concernant la température.

On voit à la figure 8A une modification du dispo-

sitif représenté à la figure 8 et o une sonde 27, d'un type semblable à la sonde 22 de la figure 8, est excitée grâce à sa connexion, par l'intermédiaire d'un dispositif optique 86' à fibres en provenance d'un-e source d'excitation 60'. Le

rayonnement provenant de la matière phosphorescente se trou-

vant dans la sonde 27 est porté par un dispositif optique séparé à fibres 86" pour parvenir aux filtres et détecteurs appropriés 100". Les fibres optiques 86' et 86" peuvent être chacune constituée par une seule fibre optique ou bien il peur s'agir d'un faisceau de fibres. L'utilisation des optiques

à fibres séparées 86' et 86" a pour avantage principal de ga-

rantir un isolement optique entre le rayonnement d'excitation de la matière phosphorescente et le rayonnement émis par la matière phosphorescente. Le rayonnement d'excitation ainsi qu'un faible niveau possible de fluorescence provenant de la fibre optique elle-même sont ainsi tenus éloignés du détecteur ". Le résultat est un moindre bruit optique de fond et une

meilleure précision. La source 60' d'excitation et le détec-

teur 100" peuvent aussi être plus facilement isolés physi-

quement lorsqu'on utilise le schéma comportant une bifurcation.

La figure 9 montre une variante de l'appareil à sonde et à dispositif de détection de la figure 8. Une sonde 23 comprend une matière phosphorescente 48 fixée à une extrémité d'un faisceau 91 de fibres optiques. Dans cette forme de réalisation, il y a dans la sonde 23 une matière

radioactive 69 encapsulée,et qui est choisie de façon à exci-

ter, pendant un certain nombre d'années, la matière phospho-

rescente 48. L'émission de la matière phosphorescente 48 est

transmise par le faisceau 91 des fibres optiques; ce fais-

ceau traverse une lentille 92' et passe dans un dispositif comportant au moins un séparateur de faisceaux, un filtre et

un détecteur, comme antérieurement décrit à propos des figu-

res 6 et 8. La matière radioactive 69, servant à la place de la source 66 de lumière ultraviolette de la figure 8 peut, par exemple, être un isotope du nickel comme 63Ni,. ayant une période de 92 ans. Cette matière émet des électrons mais n'émet

pas de rayons gamma. Cette sonde 23 et le faisceau 91 des fi-

bres optiques de communication peuvent encore maintenir la caractéristique souhaitable de ne pas comporter de constituant métallique si le nickel 63Ni est sous forme d'un oxyde ou

sous forme d'un autre composé non métallique.

La figure 10 montre une variante de l'un ou l'au-

O 're des ensembles comportant une sonde, de la figure 8 et de la figure 9, o un seul faisceau 92 de fibres optiques assure une communication optique avec plusieurs sondes séparées, comme les sondes 24, 25 et 26, qui peuven-t être disposées en différents endroits au sein d'un transformateur d'énergie ou

d'un autre appareil. A une extrémité du faisceau 92 des fi-

bres optiques, quelques-unes des fibres sont connectées à cha-

* cune des sondes individuelles 24, 25 et 26. A l'extrémité op-

posée du faisceau des fibres 92, les extrémités opposées des

mêmes fibres optiques sont connectées à des filtres et détec-

teurs individuels. C'est-à-dire que la sonde 24 est en commu-

nication optique seulement avec le bloc 117 de filtre(s) et de détecteurs(s), la sonde 25 seulement avec le bloc 118 de filtres

et de détecteurs, etc. En variante, les sondes séparées peu-

vent être balayées ou examinées, à l'extrémité de sortie du faisceau des fibres optiques, par un seul détecteur, de façon

réglée et prédéterminée.

Bien évidemment, les types spécifiques d'équipement dans lesquels de telles sondes de température ont un grand

degré d'utilité sont nombreux. Un réacteur nucléaire engen-

drant de l'énergie électrique est un autre endroit o l'on peut utiliser l'invention très avantageusement pour mesurer

la température de positions éloignées et inaccessibles.

Autres applications Les techniques de la présente invention se prê- tent à une commutation optique. On peut les appliquer sans contact physique et elles ne subissent pas l'influence des bruits électriques. Une application spécifique de commutation

optique se trouve sur un dispositif rotatif-100, comme repré-

senté à la figure 11. Ce dispositif peut être un moteur, une turbin.e ou un générateur. La sonde 22 contenant la matière phosphorescente est enfouie dans la pièce rotative 200 comme

le sont-un faisceau 201 de fibres optiques d'entrée et un fais-

ceau 203 de sortie. Les faisceaux des fibres optiques se ter-

minent sur une périphérie ou circonférence externe de la roue ou de la pièce rotative 200. Cela permet la mise en place fixe et non rotative d'une source de rayonnement d'excitation, comme une source d'ultraviolet 205, et d'un appareil optique

207, voisin de cette source 205 et destiné à recevoir l'émis-

sion de la matière phosphorescente. En une positionet pour un court instant, de chaque rotation de la pièce rotative 200, la soXurce d'ultraviolet et l'appareil 207 optique recevant le rayonnement émis par la matière phosphorescente seront alignés

avec leurs faisceaux respectifs de fibres optiques 201 et 203. A cet instant, la température de la pièce ou partie, à l'en-

droit o se trouve la sonde 22 contenant la matière phospho-

rescente enfouie, est mesurée. Le dispositif optique 207 est connecté à un dispositif approprié 209 comportant au moins un filtre et un détecteur et appartenant à l'un des types

étudiés à propos des autres formes de réalisation ci-dessus.

La même technique peut servir, comme représenté à la figure 12, pour une courroie mobile 211. On peut voir que cette technique optique de mesure de la température présente des avantages considérables puisqu'il n'est pas nécessaire d'avoir une connexion physique de fils ou d'autres dispositifs entre la partie mobile et l'équipement fixe de mesure ou de

mesurage. Comme variante pour la technique optique particuliè-

re représentée aux figures Il et 12, la pièce rotative 200 et la courroie 201 peuvent également être peintes à l'aide

d'une peinture comportant une matière phosphorescente, com-

me étudié à propos de la figure 4.

La figure 13 montre une autre application encore

du concept fondamental de la présente invention o l'on me-

sure la température d'un courant de fluide 215 en déplacement, qui traverse une conduite 217. Il y a dans la paroi de la conduite 217 une fenêtre 219 qui se caractérise par le fait qu'elle transmet l'ultraviolet et le rayonnement visible

sans atténuation importante. Une source 221 d'énergie électro-

magnétique, dans le spectre ultraviolet, illumine l'intérieur de la conduite à travers la fenêtre 219. Le courant du fluide

215 est muni de plusieurs particules 223, revêtues d'une ma-

tière phosphorescente, et qui ont une dimension et une densi-

té correspondant bien au type du fluide 215 et au type d'é-

coulement auquel on peut s'attendre, de sorte que ces particu-

les demeurent distribuées au sein du courant du fluide 215.

Le rayonnement provenant de la source ultraviolette 221 pro-

voque la luminescence du revêtement phosphorescent des par-

ticules 223 et cette luminescence est rassemblée par un dis-

positiF optique 225 qui collecte et transmet à un détecteur

approprié 227 le rayonnement provenant de la matière phospho-

rescente. Grâce à la détection des intensités de deux raies

intéressantes du spectre d'émission de la matière phosphores-

cente et grâce au rapport que l'on obtient entre ces intensi-

tés, on détermine la température du courant de fluide 215 puisque les particules ont eu la possibilité d'atteindre un état

d'équilibre avec la température du courant du fluide 215.

D'autres applications particulières ressortiront

de la présente description. La forme de réalisation comportant

une sonde et des fibres optiques peut s'appliquer à la mesu-

re des températures ponctuelles sur des êtres humains et sur

des animaux, par exemple.

Une autre application est illustrée à la figure 14. L'extrémité d'un faisceau 301 de fibres optiques est

coiffée d'un fourreau 303 amovible pour déceler la températu-

re. Le fourreau 303 est formé d'une portion cylindrique de

base 305 qui est portée à l'extrémité des fibres optiques 301.

Une extrémité de la base cylindrique 305 est coiffée d'un mince capuchon 307, conducteur de la chaleur comme,, par exemple, un capuchon en métal. Sur une surface intérieure du capuchon

307, il y a un revêtement phosphorescent 309. A l'autre ex-

trémité du faisceau des fibres optiques 301 (non représentées),

il y a une source d'excitation et un dispositif de détection.

L'extrémité du faisceau des fibres optiques 301, avec le fourreau ou manchon 305, est immergée dans le milieu dont on désire prendre ou connaître une température, comme une cavité

d'un être humain ou d'un animal, ou des bains de liquides.

L'avantage réside dans le fait que le fourreau 303 peut être jeté après une seule utilisation, ce qui évite que des contaminations se produisent d'une mesure à l'autre lors

de mesures successives de la température. Un avantage impor-

tant de l'utilisation de la présente invention pour ce type de mesure ou de mesurage est que le dispositif possède une très faible masse thermique, ce qui aboutit à ce que la matière

phosphorescente 309 pouvant indiquer la température attei-

gne très rapidement une valeur de la température qui se trou-

ve en état d'équilibre ou de régime permanent par rapport au milieu qui environne cette matière 309. Sauf le capuchon 307, les matières plastiques restantes effectuent très peu de

transfert de chaleur de l'environnement vers la matière phos-

pliorescente 309. Les autres avantages décrits ci-dessus à propos de la structure comportant une matière phosphorescente et des fibres optiques, en général, sont également présents

dans ce cas.

Une autre application encore consiste à utiliser la forme de la présente invention comportant une sonde et des fibres optiques généralement pour mesurer la température en un point situé à l'intérieur du corps des êtres humains et des animaux. Une application potentielle est illustrée à la

figure 15 o un corps humain ou animal 311 contient une tu-

meur cancéreuse schématiquement représentée en 313. Une tech-

nique que l'on explore actuellement en vue du traitement de

la tumeur, et que l'on appelle l'hyperthermie, implique d'ir-

radier la tumeur 313 à l'aide de l'énergie 315 provenant d'une source 317, le résultat étant un chauffage induit. Cependant,

le succès de cette technique pour traiter la tumeur 313 dé-

pend du maintien de la tumeur à une température élevée, spé-

cifique et bien réglée.

Donc, un moyen pour surveiller et régler la tem-

pérature de la tumeur 313 consiste à implanter chirurgicale-

ment une toute petite sonde 319 pour déceler la température, du type étudié principalement à propos de la figure 9, et qui ne forme pas une protubérance. Un faisceau de fibres optiques 321 effectue la communication entre la sonde 319 de détection

de la température et l'appareil 323 d'excitation et de détec-

tion. Pour cette application, bien entendu, il faut que la dimension de la sonde de température 319 et la dimension de la section du faisceau des fibres optiques ou de la fibre optique 321 soient aussi faibles que possible. Le faisceau optique

peut se limiter à une ou deux fibres, et la sonde 319 de détec-

tion de la température peut être formée en appliquant direc-

tement sur l'extrémité des fibres optiques un revêtement formé

par la matière phosphorescente et une mince matière d'encapsu-

lation. La température de la tumeur 313 peut alors être sur-

veillée et l'intensité du rayonnement provenant de la source

317 peut être ajustée de façon à maintenir la température op-

timale pour le traitement.

Les techniques de la présente invention peuvent également servir à des mesures (ou -des mesurages) de température ponctuelles dans des appareils de traitements chimiques et de traitements des aliments. L'avantage d'un appareil comportant

des fibres optiques et une sonde de détection de la tempéra-

ture, comme décrit ici, est que cet appareil est chimiquement inerte, qu'il possède un temps de réponse très rapide, qu'il assure de l'isolement électrique, qu'il peut être étalonné de façon permanente, qu'il a un faible prix de revient, qu'il est stérilisable et peut même servir dans de grandes machines mobiles. Ces sondeurs ou détecteurs peuvent également servir à mesurer la température des aliments soumis à une cuisson par micro-ondes, application pour laquelle un thermocouple ou

n'importe quel autre appareil métallique de mesure de la tem-

pérature ne peut pas servir.

Une autre application particulière qui tir-e avanta-

ge du fait qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un contact phy-

sique direct maintenu avec un objet soumis à la mesure ou au mesurage se trouve dans le domaine du traitement des aliments o l'on peut placer une toute petite quantité de matière

phosphorescente sur chaque paquet à cuire et l'on peut sur-

veiller la. température de ce paquet en surveillant les émis-

sions de la matière phosphorescente lorsque celle-ci est ex-

citée de la façon étudiée ci-dessus.

La technique de la présente invention faisant ap-

pel à des fibres optiques permet d'effectuer des mesures de températures ponctuelles à une longue distance de l'appareil

de détection et d'excitation. L'utilisation de telles techni-

ques pour surveiller les températures en divers points d'une

installation industrielle peut facilement impliquer des lon-

gueurs de fibres optiques excédant 100 mètres ou qui repré-

sentent même plusieurs fois des multiples de 100 mètres. Pour de telles longueurs, il peut être préférable d'utiliser un rayonnement d'excitation se trouvant dans le spectre visible

avec une matière phosphorescente à base de terres rares agis-

sant comme dispositif d'indication de la température. Le rayon-

nement particulier d'excitation que l'on peut envoyer le long des fibres optiques et la composition phosphorescente pour une telle application ont été antérieurement étudiés à propos

de la figure 3A.

La technique peut aussi s'appliquer en gros à une

thermographie d'une image o l'image d'un objet ou d'une scè-

ne apparait sur un écran phosphorescent et les émissions sont décelées à travers des filtres par une caméra de télévision afin de mesurer l'intensité relative de deux raies d'émission

et donc la température de l'image, cette dernière étant pro-

portionnelle à la température de l'objet dont l'image appa-

rait sur l'écran. Dans une autre approche encore vers l'image thermique, l'écran phosphorescent peut être monté dans un

tube à vide, illuminé d'un côté par l'image thermique traver-

sant une fenêtre convenable pouvant transmettre l'infrarouge et le substrat, et excité de l'autre côté par.un faisceau électronique destiné à effectuer un balayage d'analyse totale

d'image. Dans ce cas, l'image thermique peut être reconstrui-

te à l'aide d'une seule paire de détecteurs optiques ponctuels

filtrés de façon appropriée, et le rapport entre les intensi-

tés des raies résultantes peut servir ensuite à moduler l'in-

tensité du faisceau électronique d'un tube d'affichage à

rayons cathodiques qui est également balayé de façon à cou-

vrir toute l'image en synchronisme avec le faisceau électro-

nique d'excitation.

Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre illustratif de quelques formes préférées de réalisation,

mais non limitatif, et que l'invention est susceptible de re-

cevoir diverses variantes entrant dans son cadre et dans son esprit.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Dispositif en forme de sonde de température, ce dispositif émettant un rayonnement électromagnétique visible ou proche du visible, étant relié optiquement à un détecteur d'un tel rayonnement faisant partie d'un appareillage de mesure de température et comprenant (a) un substrat (20, 21,22) destiné à être positionné, en relation de conduction ou d'équilibre thermique, avec un environnement dont la température est à

mesurer, et (b) une certaine quantité d'une matière phospho-

rescente (40) fixée à ce substrat de façon à être vue par l'appareillage optiquement relié ou couplé lorsque le substrat est mis en place en relation de conduction ou d'équilibre

thermique avec cet environnement, le dispositif étant caracté-

risé en ce que la matière phosphorescente émet, lorsqu'elle est excitée, un rayonnement électromagnétique (41) se situant dans des largeurs de bande optiquement isolables à au moins deux

intervalles distincts de la longueur d'onde et avec des inten-

sités relatives variant selon une fonction connue de la tempé-

rature de la matière phosphorescente.

2. Sonde de température selon la revendication 1, ce dispositif étant caractérisé en ce que le substrat (21,23,27, 319) est destiné à,être reçu par une extrémité d'au moins une

fibre optique (86,86',86";91;321) optiquement reliée au détec-

teur (323), le substrat ayant la forme d'un élément creux allongé ouvert à une extrémité et fermé à une autre extrémité

sut laquelle est fixée la matière phosphorescente (47,48).

3. Sonde de température selon la revendication 2, ce dispositif étant caractérisé en ce que le substrat en forme d'élément creux est particulièrement destiné à être utilisé en clinique pour jouer le rôle d'un thermomètre et peut être

jeté après usage.

4. Sonde de température selon la revendication 1, ce dispositif étant caractérisé en ce que le substrat comprend des perles ou particules (223) de matière destinées à être contenues dans un liquide (75) de façon à permettre la mesure

de la température de ce liquide (215).

2f82292

5. Sonde de température selon la revendication 1, ce dis-

positif étant caractérisé en ce que le substrat fait partie

d'un récipient.

6. Sonde de température selon la revendication 5, ce dispositif étant caractérisé en ce que le récipient est spécia-

lement destiné à supporter ou à contenir une matière alimentaire.

7. Fourreau pour sonde de température, ce fourreau (303) étant caractérisé en ce quîil comprend un élément creux allongé (305) ouvert a une extrémité, ce qui lui permet de recevoir au moins une fibre optique (301),un noyau (307) permettant de fermer ou d'enfermer l'autre extrémité de lïélément creux (305)

et qui comprend, sur une partie au moins, une substance conduc-

trice de la chaleur (du métal) une couche de matière phospho-

rescente (309) en contact physique immédiat avec cette partie extrême, conductrice de la chaleur à l'intérieur de l'élément creuse, la matière phosphorescente pouvant émettre, lorsqu'elle est excitée, un rayonnement électromagnétique se situant dans des largeurs de bandes optiquement isolables à au moins deux

intervalles distincts de la longueur d'onde et avec des inten-

-20 sités relatives variant selon une fonction connue de la tempé-

rature de la matière phosphorescente, de sorte que le fourreau (303) peut être positionné sur une extrémité de la ou des fibres optiques (301) afin de transmettre le long de cette fibre le

rayonnement émis par la matière phosphorescente afin de per-

mettre la détermination de la température du milieu environnant

l'extrémité close (307) de l'élément creux (305).

8. Sonde de température selon la revendication 7, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'élément creux (305)

est spécialement destiné à être utilisé en clinique comme ther-

momètre et peut être jeté après usage.

9. Dispositif pour la mesure de la température d'une certaine quantité de liquide, ce dispositif comprenant plusieurs particules (223) destinées à être contenues dans le liquide (215) et qui sont en outre revêtues d'une matière phosphorescente ou

contiennent une telle matière phosphorescente, le dispositif-

étant caractérisé en ce que la matière phosphorescente émet, lorsqu'elle est excitée, un rayonnement électromagnétique se situant dans des largeurs de bandes optiquement isolables à au moins deux intervalles distincts de la longueur d'onde et avec des intensités relatives variant selon une fonction connue de la température de la matière phosphorescente.

10. Dispositif destiné à la surveillance optique de la température d'un récipient, par la réception du rayonnement émis en provenance de ce récipient, ce dispositif comprenant un point, une pastille ou une petite quantité d'une matière phosphorescente qui est fixée sur le récipient et le dispositif étant caractérisé en ce que la matière phosphorescente émet, lorsqu'elle est excitée, un rayonnement électromagnétique se situant dans des largeurs de bandes optiquement isolables à au moins deux intervalles distincts de la longueur d'onde et avec *des intensités relatives variant selon une fonction connue de la

température de la matière phosphorescente.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le récipient est spécialement destiné à supporter ou

à contenir de la matière alimentaire.

12. Dispositif en forme de peinture, comprenant un liant et une matière phosphorescente, destiné à être appliqué

sur une surface pour permettre la mesure optique de la tempé-

rature de cette surface, cette peinture étant caractérisée en ce que la matière phosphorescente émet, lorsqu'elle est excitée, un rayonnement électromagnétique se situant dans des largeurs de bandes optiquement isolables à au moins deux intervalles

distincts de la longueur d'onde et avec des intensités relati-

ves variant selon une fonction connue de la température de la

matière phosphorescente.

13. Dispositif en forme de sonde pour la mesure optique d'une température, ce dispositif comprenant une certaine longueur

d'au moins une fibre optique (301) comportant une couche de ma-

tière phosphorescente maintenue à une extrémité de cette fibre,

le dispositif étant caractérisé en ce que la matière phospho-

rescente émet, lorsqu'elleest excitée, un rayonnement électro-

magnétique se situant dans des largeurs de bandes optiquement isolables à au moins deux intervalles distincts de la longueur d'onde et avec des intensités relatives variant selon une

fonction connue de la température de la matière phosphorescente.

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 13, caractérisé en ce que les deux intervalles

(au moins) de longueur d'onde émise par la matière phospho-

rescente sont des raies fines ou nettes d'émission, chacune s'élevant d'une émission essentiellement nulle de chaque côté jusqu'à une raie d'intensité de crête en une largeur de bande de mains de 100 As

15. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 13, caractérisé en ce que la matière phosphorescente comprend une composition de (RE)202S:X, dans laquelle RE est un élément choisi parmi le lanthane, le gadolinium et l'yttrium; et X est un élément de dopage présent en une concentration de 0,01 à 10,0 atomes % et qui est choisi parmi l'europium, le terbium, le praséodyme, le samarium, le dysprosium, l'holmium,

l'erbium et le thulium.

16. Procédé pour déterminer la température dtune surface d'un objet, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes selon lesquelles on fixe au contact de la surface une couche d'une matière phosphorescente de façon que cette matière soit en liaison de conduction de chaleur avec la surface, cette matière phosphorescente pouvant émettre, lorsqu'elle est excitée, un rayonnement électromagnétique se situant dans des largeurs de bandes optiquement isolables à au moins deux intervalles distincts de la longueur d'onde et avec des intensités relatives variant selon une fonction connue de la température de la matière phosphorescente, et l'on regarde les intensités relatives du rayonnement émis par la matière phosphorescente dans les deux intervalles distincts

(au moins) de longueur d'onde, de façon à déterminer la tempé-

rature de l'objet sans devoir être en contact physique avec celui-ci.