CA1066910A

CA1066910A - Procede de mesure de temperature et sonde pour sa mise en oeuvre

Info

Publication number: CA1066910A
Application number: CA258,907A
Authority: CA
Inventors: Alain Deficis
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1979-11-27
Also published as: FR2321116A1; JPS5223379A; US4036060A; DE2636329C2; JPS6110187Y2; FR2321116B1; JPS60169541U; SE7609050L; DE2636329A1

Abstract

Procédé et sonde pour la mesure de température ou de variations de températures. La sonde comporte un enceinte capillaire dans laquelle est disposé un liquide thermodilatable formant un ménisque réflecteur. Un premier conducteur optique amène un pinceau de lumière et le dirige vers le ménisque, cependant, qu'un second conducteur ramène la lumière captée vers des moyens d'analyse de lumière. La sonde peut être utilisée pour les mesures de température dans un large plage ( - 50.degree. C, 150.degree. C), et notamment pour des mesures requérant un grand sensibilité, pour des mesures à effectuer dans des zones d'accès difficiles, pour des mesures exigeant des vitesses de réponses élevées ou encore pour des mesures sous rayonnement électromagnétiques.

Description

~066910 ~ 'invention concerne un procédé et une ~onde pour la mesure de températures ou de variation~q de températures. ~lle ViBe, en particulier~ une sonde miniaturisée, su~ceptible d'~tre mise en place dans des milieux d'accès difficiles. Cette sonde peut être adaptée pour me~urer la température du milieu et 8e8 variation3 ~qur une large plage, quelque ~oit le rayonne-ment électromagnétique auquel est soumis ledit mil~u ; elle peut également ~tre adaptée pour me~urer la densité de puissance électromagnétique d'un milieu à température donnée.
Il a été décrit dans le brevet françai~ No. 72.39175 un dispositif de mesure de température, à di~tance, utili~ant les variations des propriétés optiques de cri~taux liquides chole~tériques, en fonction de la température, pour permettre la détermination de cette dernière. ~'inconvénient essentiel de ce type de dispositif est que la plage de températures à
l'intérieur de laquelle ces cristaux sont utilisables ~e trouve actuellement limitée entre 10~ et 40~ celsius environ.
~a présente invention se propose d'indiquer un procédé
de mesure, à distance, susceptible d'être mis en oeuvre dans une plage de temp~ratures beaucoup plus étendue, (en particu- -lier entre - 50~ et + 150~ C), de façon à pouvoir atre utilisé
dans la plupart des applications qui se présentent en pratique dans les diver~ secteurs industriels.
Un autr~ ob~ectif de l'invention est de fournir une aonde miniaturi~ ayant une excellente ~ensibilité et une vitesse de réponse ~levée.
Un autre obJeotif est, de fournir, dans chaque appli-cation, une sonde préajust~e, de sorte que sa sensibilité soit maximum dans la plage des températures d'utilisation.
Un autre objeoti~ est, de ~ournir, un mode de réali-~ation de sonde apte à réali~er des mesures de température sou~ rayonnement électromagnétique m~me intense, sans que la d~livr~ le 2 ao~t 1974.
- ~ .
1~ 6 ~9 ~
me~ure ~oit faussée par ce rayonnement et san3 que ce dernier soit perturbé par la présence de la sonde.
Un autre objectif est, de fournir, un autre mode de réalisation, apte ~ donner une mesure de la densit~ de pui~sance électroma~nétique d'un milieu.
A cet effet, conform~ent ~ l'invention, un procédé
de mesure de température consi~te ~ porter à la température à me~urer une ma~se déterminée d'un liquide thermodilatable contenue dan~ une enceinte capillaire, de façon à former un méni~que réflecteur de position variable, en ~onction de la température, à diriger un pinceau de lumière vers ledit ménisque, à recueillir la lumière réfléchie dans une zone de réception de position déterminée située en regard dudit ménisque et à mesurer l'inten~ité de la lumi~re réfléchie rapportée ~ celle de la lumière incidente.
Dans un cas particulier, le liquide thermodilatable est un liquide à surpres~ion capillaire, formant un ménisque concave dans l'enceinte capillaire.
~ 'inten6ité lumineuse recueillie dépend de la position du ménisque par rapport à la zone de réception, et, donc, de la dilatation subie par le liquide.
Les propriétés phy~ique~ du liquide thermodilatable ~ont choisles, de sorte que ce dernier demeure ~ l'état liquide dans la plage de~ températures d'utilisation; par un choix oonvcnable dudit liquide, cette plage peut être très large et ~tendre~ en partlculier, de - 50~ C a ~ 150~ a.
De pr~f~rence, l'enceinte utilisée est une enceinte de r~volution ayant une direotrice de ~orme déterminée, lui con~rant une ~ection varlable le long de son axe longitudinal;
il est ain~i possible d~adapter la loi de déplacement du ménisque en fonction dee variation~ de température, pour obtenir une sensibilité maximum a une température donnée.

- 2 -Une sonde thermométrique, conforme à l'invention, adaptée pour la mi 9 e en oeuvre du procédé ci-des~u~ indiqué, comprend une enceinte capillaire fermée, déli~itée intérieure-ment par une surface de révolution de directrice de forme pré-determinée, ~ liquide thermodilatable contenu dans l'enceinte, de façon à former un ménisque ~ l'intérieur de celle-ci, un premier conducteur optique, destiné à amener un pinceau de lumière à partir d'une ~ource et pénétrant dan~ l'enceinte, de sorte que son extrémité émettrice vienne se situer en regard du ménisque, enfin un ~econd conducteur de lumière destiné à
ramener la lumière captée vers des moyen~ d'analy~e de lumière et pénétrant dan~ l'enceinte, de ~orte que ~on extrémité
réceptrice vienne se situer en regard du ménisque.
A titre d'exemple, on indique que l'enceinte contenant le liquide est une enceinte capillaire de section trè~ faible, de l'ordre du millimètre et la quantité de liquide utilisée est reduite; la sonde possède donc une inertie thermique négligeable qui détermine une mi~e en température très rapide, sans perturbation sensible du milieu. En outre, ~es dimensions miniaturisées permettent de l'implanter dans de~ milieux divers, d~accès di~iciles; 9a liaison avec l'extérieur, (en particulier aveo la source lumineuse et les moyens d'analyse de lumière) est réali~ée par des conducteur~ optiques, lesquels sont notam-ment oon~titues par d~s fibres optiques de faible diamètre, ~quelques dizai~e~ ~ quelques centaines de miorons) qui peuvent 8tre d~form~e~ pour suivre un tra~et donné (à la seule condi-tion que les rayons de courbure soient aseez grands).
D~autres caractéristiques, buts et avantages de l'in-ve~tion, ~e dé~agexont de la de~cription ~ui 9Uit d'un procédé
et d~une sonde selon l'invention, en référence aux de9sins annexe3 sur lesquels:
- la ~igure 1 est une vue schématique, à échelle

- 3 -~ .
1066~10 dilatée, d'une sonde thermométrique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe d'une enceinte de sonde réalisée en verre, du type pyrex, - la figure 3 en est une vue partielle, à échelle dilatée, destinée ~ éclairer le principe de fonctionnement de la sonde conforme à l'invention, - la figure 4 présente plusieurs courbes de variation de l'intensité lumlneu~e recueillie en fonction de la tempéra-ture pour des sonde~ de conicité dif~érente.
~a sonde thermométrique représentée schématiquement à
titre d'exemple à la figure 1 comprend une enceinte capillaire 1, formant deux chambres ~a et 1b et un réservoir bulbe 1c.
Cette enceinte de révolution autour de son axe longi-tudinal présente une forme divergente depuis le réservoir vers une ~one centrale 1d de diamètre maximum, puis une forme con-vergente ~ partir de cette zone centrale ~usque vers une extrémité 1e; les deux chambres contieu~s la et lb ~'évasent ainsl depuis la zone centrale ~d jusque vers les extrémités de l'enceinte.
En l'exemple, les chambres ta et 1b présentent sensi-blement des forme~ de troncs de cône se re~oignant par leur grande base au niveau de la zone ld.
A l'extr~mité 1e de l~enceinte, sont scellées deux ~ibre~ optiques ou ~al~oeaux de fibres optiques 2 et 3 qui p~ètrent axialement dans celle-ci, de sorte que leur extr~ite ~oit di~pos~e, c8te à oôte, dan~ la chambre la. Ia fibre 2 e~t destinée ~ amener un pinceau de lumière et e~t as~ociée à
u~e souroe (non représent~e); la fibre 3 est destinée à rame-nar la lumiare réfl~chie et est assooiee à des moyens d'analyse permettant de mesurer l~inten~ité de la lumière réfléchie rapport~e à ¢elle de la lumiare incidente injectée dans la ~ .
flbre 2~ ...

- 4 -' . ' ~ . ' 1066~10 Un liquide thermodilatable 4 est disposé dan~ la chambre 1b et dans le réservoir 1c, de façon ~ former un ménis-que en regard des extrémité~, émettrice et réceptrice, des fibre~ 2 et 3. Ce liquide est un li~uide à ~urpre~sion capil-laire et forme un ménisque concave dans l'enceinte capillaire.
La quantité de liquide dispos~e dan~ l'encelnte et la po~ition des extrémités des fibres sont ajustées, de ~orte que, à la température la plus élevée de la plage d'utili~ation, l'extrémité de~ fibres ~oit à une petite distance du méni~que et ne plonge pas dans le liquide.
Pour illustrer le~ dimen~ion~ d'une sonde conforme à
l'invention, indiquons que, dans la zone centrale 1d, elle peut présenter un diamètre très approximativement compri~ entre 1 m~ et ~ mm et qu'elle peut avoir une hauteur dans le sens longitudinal très approximativement compri3e entre 2 mm et 10 mm.
La figure 2 représente, à titre d'exemple~ une enceinte telle qu'elle peut être réalisée pratiquement par exe~ple en pyrex; dans ce mode de réalisation, la demi-hauteur h e~t de l'ordre de 2,5 ~m, le diamètre D dans la zone centrale de l'ordre de 2 m~, les diamètre~ d de~ extrémités de l'ordre de 0,5 mm et le diamètre DR du réservoir bulbe de llordre de 3 mm.
La figure 3 illustre le principe de fonctionnement de la sonde; on a représenté ~ cette fi~ure un ménisque A cor-re~pondant ~ une température ~. La fibre 2 émet un pinceau de lumi~re d'intensit~ I; ce plnceau e~t réfléchi par m~nisquc A
et par le8 parols de l'en¢einte et une fraction iA est recueil-lie par la ~ibre r~ceptrice.
Lorsque la te~pérature dim~nue pour se fixer ~ une valeur t < ~, le liquide se contracte et le ménis~ue adopte une position L plus éloignée des fibres et de concavité plus prononoée (puisque la section est plu9 étroite); l'intensité

- 5 -' - - , . ,, . , . ~ .
~6~91(~
lumineuse recueillie a diminué et sa valeur iB (rapportée bien entendu a la valeur I) fournit une me~ure de la température t.
La po~ition des extrémités des fibres dans la chambre 1a, la quantité de liquide contenue dans l'enceinte et l'angle de conicité dea chambre~ 1a et 1b constituent des paramètres qui ~ont a~usté~ au moment de la fabrication de la ~onde pour optimaliser la sensibilité de celle-ci et la plage des tempéra-tures d'utili~ation en ~onction de l'application prévue. Il est ainqi pos~ible d'avoir une ~en~ibilité très élevée autour d'une température donnée, en particulier pour réaliser des mesures de températures pour certains phénomène~ se réalisant autour d'une température relativement précise.
La figure 4 présente, ~ titre d'exemple, les courbes de variations de l'intensité recueillie en fonction de la tem-pérature pour des sondes du type de celles de la ~igure 2 ayant des de~i-angles au som~et ~ différents, la quantité de liquide contenu étant de l'ordre de 15 mm3.
On voit que, à - 5~ C par exemple, la sensibilité
est d'autant plus élevée que l'angla ~ est plu8 grand.
Une application intéressante de la sonde conforme à
l'invention réside dans la mesure des températures ou des variations de températures d'un milieu ~oumis ~ un rayonnement electro~agnétique, Dans ce ca~, le liquide thermodilatable utlll3é e~t un liquide ~ pouvoir d'ab~orptlon négligeable à
l'é~ard des onde~ electroma~nétiques, ~ la fréquence du rayon-nement; les mat~riaux co~stituant l'enceinte et le~ oonducteurs optiq~es sont eux-m~me~ ~ pouvoir d'absorption négligeable l'~ga~d de ces ondes.
Ainsi, la temperature mesurée n'e~t pas fau~sée par un ~chauffement parasite du liquide, provoqué par le rayonne-ment; de plus, ce dernier n'est pas perturbé par la pré~ence de la sonde. ~-

- 6 -~06691() Dan~ ce ca~, par exemple, l'enceinte peut 8tre réali-~ée en pyrex type "SOVIRE~ S.732.01" et le~ conducteurs optlque~
etre constitués par de~ fibre~, commerciali~ée ~OU8 le nom "CROFON", fabriquée~ par la Société DU PO~T DE NEMOURS.
Il existe un grand choix de liquide thermodilatable utiliQable; celui-ci peut, par exemple, être constitué par de l'huile silicone du type "~HODORSIL 47 V 100 S~", fabriquée par la Sooiété RHONE POU~ENC; cette huile parfaitement ~ati~aisante pour ce type d'application possède les caractéri~tique~ 9uivan-tes:
- paramètre d'ab~orption trè~ faible: tg J= 1 o - 3 pour une fréquence de 105 Hz - tension superficielle positive = 20 à 21 dynes/mm - viscosité ~ 25~ C = 100 centistokes - liquide entre - 50~ C et 150 ~ C
Une autre application de la sonde réside dan~ la mesure de la densité de puissance d'un milieu ~oumi~ à un rayonnement; dans ce cas, on recherche, au contraire, à produire un échauffement du liquide par le rayonnement, soit par un échauffement au coeur même du liquide, en utilisant un liquide ab~orbant, 80it par un éohauffement de l'enceinte en utilisant une enceinte absorbante qui échauffera le liquide par contact~
~oit enoore par un échau~ement produit par les deux processus combin~s.
~'inten~ité de l'échau~ement du l1quide est fonction de la den~ité de puissance du rayonnement et l~écart entre la tomp~xature de la sonde et celle du ~ilieu ~ournit une me~ure de oette densit~, le cas éohéant, par lecture directe après ~talonnage de l'appareil, On psut utiliser comme liquide absorbant un liquide ayant par lui-m8me un pouvoir d'ab~orption éle~é à la fréquence du rayonnement, par exemple:

- 7 -.. .. . .
~6691V
-- le dichloropentane (tgJf= 13500.10 3 à 105 Hz) - l'éthylène glycol (tgJ = 1000.10 3 ~ 3 109 Hz) Bien entendu, la nature du liquide choi~i dépend de la longueur d'onde du rayonnement.
Il est également po~sible de choisir un liquide non ab~orbant, tel que l'huile ~ilicone ~u~-indiquée et de le chan-ger par une su~pension de graphite collo~dal, ou par une fine poudre métallique ou tout autre corp~ apte à conférer au liquide les propriétés d'ab~orption voulues.
Noton~ que, dans cette application, il peut être intéres~ant de recouvrir l'enceinte par une en~eloppe thermi-quement isolante, pour réduire les déperditions vers l'exté-rieur.
Le procédé et la sonde conformes à l'invention peu-vent être appliqués de façon générale, pour toute mesure de température dans une large plage, et, en particulier, pour des mesures requérant une grande sensibilité, pour des mesure~
e~fectuer dans des zone~ d'accès difficile, pour des mesures exigeant des ~itesses de réponse élev~es, pour des mesures sous rayonnement électromagnétique, etc... : insertion dans un organl~me vivant pour une mesure de température locale, con-trôle et optimisation de la distribution d~énergie dans les ~y8tèmes d~irradiation industriels (décong~lation des viandes, ~t~rilisation d~aliment~ par micro-ondas...) mesure des varia-tiona de temp~rature dans des phenomane~ transitoires, eto...
' ' , " '-" " ' ' ' ', . ' . , . ' ' ',: : ' ,

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de mesure de températures caractérisé en ce qu'il consiste à porter à la température à mesurer une masse déterminée d'un liquide thermodilatable contenue dans une en-ceinte capillaire, de façon à former un ménisque réflecteur de position variable en fonction de la température, à diriger un pinceau de lumière incidente vers ledit ménisque, à recueillir la lumière réfléchie dans une zone de réception de position déterminée située en regard dudit ménisque et à mesurer l'inten-sité de la lumière réfléchie rapportée à celle de la lumière incidente.

2. Procédé de mesure selon la revendication 1, carac-térisé en ce que le liquide thermodilatable est contenu dans une enceinte de révolution ayant une directrice de forme déter-minée, lui conférant une section variable le long de son axe longitudinal en vue d'adapter la loi de déplacement du ménisque en fonction des variations de température pour obtenir une sen-sibilité maximum à une température donnée.

3. Sonde thermométrique pour la mesure de tempéra-tures caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte capil-laire fermée, délimitée intérieurement par une surface de ré-volution de directrice, un liquide thermodilatable contenu dans l'enceinte de façon à former un ménisque à l'intérieur de celle-ci, un premier conducteur optique, destiné à amener un pinceau de lumière à partir d'une source et pénétrant dans l'enceinte, de sorte que son extré-mité émettrice vienne se situer en regard du ménisque, un second conducteur de lumière, destiné à ramener la lumière captée vers des moyens d'analyse de lumière et pénétrant dans l'enceinte, de sorte que son extrémité réceptrice vienne se situer en regard du ménisque.

4. Sonde thermométrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le liquide thermodilatable est un liquide à surpression capillaire formant un ménisque concave dans l'en-ceinte capillaire.

5. Sonde thermométrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que la directrice de la surface intérieure de l'enceinte est telle que cette dernière présente, autour de l'axe longitudinal, une forme divergente jusqu'à une zone centrale de diamètre maximum, puis une forme convergente à
partir de cette zone centrale, de façon à délimiter deux cham-bres contig?es s'évasant vers cette zone centrale, le liquide thermodilatable étant situé dans une chambre et les extrémités, émettrice et réceptrice, des conducteurs optiques dans l'autre.

6. Sonde thermométrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'enceinte comprend à l'extrémité de la chambre contenant le liquide thermodilatable, à réservoir bulbe communiquant avec cette chambre et rempli dudit liquide.

7. Sonde thermométrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les chambres précitées présentent, sensiblement, des formes de troncs de cône se rejoignant par leur grande base.

8. Sonde thermométrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le demi-angle au sommet de chaque cham-bre tronconique est adapté à la sensibilité désirée dans une plage de température donnée.

9 Sonde thermométrique selon les revendications 3 ou 5, caractérisée en ce que les conducteurs optiques sont, chacun, constitué par, au moins, une fibre optique et sont disposés, côte à côte, selon l'axe longitudinal de l'enceinte.

10. Sonde thermométrique selon les revendications 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que l'enceinte présente, dans sa zone centrale, un diamètre très approximativement compris entre 1 mm et 3 mm et une hauteur dans le sens longitudinal très approximativement comprise entre 2 et 10 mm

11. Sonde thermométrique selon la revendication 3, apte à permettre une mesure de température sous rayonnement électromagnétique, caractérisée en ce que son liquide thermo-dilatable est un liquide à pouvoir d'absorption négligeable à l'égard des ondes électromagnétiques et en ce que le matériau dont sont constitués son enceinte et ses conducteurs optiques sont à pouvoir d'absorption négligeable à l'égard desdites ondes.

12. Sonde thermométrique selon la revendication 11, caractérisée en ce que le liquide thermodilatable est de l'huile de silicone.

13. Sonde thermométrique selon les revendications 3, 4 ou 5, apte a permettre une mesure de la densité de puissance électromagnétique dans un milieu, caractérisée en ce que son liquide est un liquide présentant un pouvoir absorbant détermi-né à l'égard des micro-ondes électromagnétiques.

14. Sonde thermométrique selon les revendications 3, 4 ou 5, apte à permettre une mesure de la densité de puissance électro-magnétique dans un milieu, caractérisée en ce que le matériau dont est constituée l'enceinte est un matériau présen-tant un pouvoir absorbant déterminé à l'égard des micro-ondes électromagnétiques.