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~ '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.
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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 -
~ .
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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 -
' . ' ~ . '
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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 -
'
- - ,
. ,, . , . ~ .
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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. ~-
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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:
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.. .. . .
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-- 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...
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