<Desc/Clms Page number 1>
Pyromètre à radiation.
L'invention est relative à des dispositifs d'expansion dif- férentielle et, plus particulièrement à des dispositifs dans les- quels l'expansion différentielle est effectuée par l'énergie rayonnante et non pas par la température ambiante ou une tempéra- ture telle celle pouvant être mesurée au moyen d'un thermomètre ordinaire.
Un objet de l'invention est de réaliser un pyromètre à ra- diation qui est approximativement insensible à la température ambiante ou à des températures telles celles pouvant être mesu- rées à l'aide d'un thermomètre et qui est sensible uniquement à l'énergie rayonnante.
Un autre objet de l'invention est de réaliser un pyromètre dont la réaction à l'énergie rayonnante est sensiblement une fonction linéaire de l'énergie rayonnante totale qu'il
<Desc/Clms Page number 2>
reçoit.
Encore un autre objet de l'invention est de réaliser un py- romètre à radiation qui soit de construction métallique rigide et solide appropriée pour fonctionner suivant le principe d'ex- pansion différentielle et qui soit sensible à l'énergie rayonnan- te mais non pas à la température ambiante,
Encore un autre objet de l'invention est de réaliser un py- romètre qui soit apte à procurer directement les lectures de la température ou pour faire fonctionner des dispositifs actionnés du genre tel que des soupapes, soupapes de transmission de pres- sion, commutateurs électriques tels ceux à impédances et induc- tances variables, ou n'importe quel dispositif utilisé comme dis- positif de contrôle ou indicateur ou les deux,
et étant actionné par et en corrélation avec l'énergie rayonnante totale recueillie par l'élément sensible à la radiation du pyromètre.
D'autres objets de l'invention ainsi que les principes de son application et de son fonctionnement, dont certains sont évi- dents, apparaîtront à la lecture de la description ci-après pri- se en conjonction avec les dessins annexés, dans lesquels :
Fig. 1 est une représentation schématique d'un pyromètre qui est illustré dans le but d'exposer les principes et la théo- rie de la construction et du fonctionnement du pyromètre réalisant l'invention,
Fig. 2 est une illustration schématique d'un modèle de pyro- mètre à radiation disposé et construit conformément à l'invention.
Tig. 3 est une illustration schématique d'une forme modifiée du pyprmètre réalisant l'invention,
Fig. 4 est une illustration schématique du pyromètre à, ra- diation lorsqu'il est appliqué à un four montrant comment il peut être utilisé pour régler la température dans ledit tour.
Fig. 5 est une vue plus ou moins détaillée en coupe longi-
<Desc/Clms Page number 3>
tudinale d'une des formes préférées de l'invention, cette forme étant 'particulièrement appropriée pour être montée dans un re- gard de la paroi d'un four et réalisant un élément de réglage pour émettre de fortes impulsions de réglage s'étendant sur une grande étendue de valeurs, lesquelles impulsions constituent aus- si une indication de la température telle qu'elle est mesurée par l'énergie rayonnante recueillie par l'élément récepteur de l'éner- gie rayonnante du pyromètre.
Figs. 6 à 12 inclusivement sont des vues plus ou moins sché- matiques du pyromètre 4 radiation pourvu de différents genres de dispositifs actionnés, c'est-ä-dire de dispositifs actionnés par l'élément sensible à la radiation du pyromètre.
Fig. 13 est une vue partiellement en coupe d'un pyromètre dans lequel le support pour l'élément sensible à la radiation est composé d'un nombre de sections métalliques, chacune possédant des coefficients différents de température d'expansion.
Fig. 14 est une vue plus ou moins schématique d'un pyromètre réalisant l'invention approprié pour la mesure de l'énergie électrique.
Fig. 15 est un graphique illustrant la parenté de l'élonga- tion de plusieurs éléments sensibles à la radiation en métaux différents et la puissance en watt fournie à un rhéostat dans une disposition telle que représentée à la Fig 14, et
Fig. 16 est un graphique montrant une échelle de température théorique d'un indicateur de température bien connu sur lequel sont marqués des points illustrant comment un dispositif réali- sant 2'invention peut être comparé au point de vue d'efficacité avec celui dudit indicateur.
Tout au long des dessins et de la description les mêmes chif- fres de référence indiquent les mêmes parties,
Le modèle de pyromètre à radiation illustré à la Fig 5 comprend un élément creux sensible à la radiation 1 qui est @
<Desc/Clms Page number 4>
ouvert à une extrémité et fermé à l'autre, un support 2 à l'inté- rieur duquel est disposé l'élément 1 et un dispositif ou organe actionné 3 porté par le support, adjacent à l'extrémité fermée de l'élément 1.
L'extrémité ouverte de l'élément 1 est fixée au support 2 au moyen d'un rebord annulaire 4 Le rebord peut former partie intégrante de l'élément 1 ou être constitué d'un élément séparé, auquel cas il est fixé de manière appropriée au support 2 et à l'élément 1, en y étant brasé ou soudé.
L'élément 1, le support 2 et les organes actionnés 3 sont établis en un métal dont les coefficients de température d'ex- pansion sont tels que les positions relatives de l'extrémité fer- mée de l'élément 1 et la partie ou élément adjacent du dispositif d'actionnement tel qu'indiqué en 5 et qui doit être actionné par l'élément l, reste fixe pour n'importe quelle valeur de tempéra- ture ambiante à laquelle les diverses pièces ou éléments décrits peuvent être soumis. En d'autres mots, il n'y aura aucune expan- sion différentielle entre l'élément 1, d'une part, et les organes actionnés 3 d'autre part, lorsque ces organes sont soumis à des températures ambiantes égales.
Ainsi que cela ressort de la Fig. 5, l'élément 1 est creux et son extrémité ou base fixée est ouverte de sorte que l'éner- gie rayonnante peut être dirigée sur sa surface interne. L'éner- gie rayonnante ainsi reçue est interceptée du support 2 par l'é- lément 1 et par conséquent seule la température produite par l'énergie rayonnante est opérante pour effectuer des modifications dans la longueur de l'élément 1 par rapport au support 2, les- quelles modifications de longueur ainsi que cela sera démontré ci-après sont, en substance linéairement proportionnelles au to- tal de l'énergie rayonnante recueillie à la surface interne de l'élément 1.
Lorsque le pyromètre est destiné à être monté dans une
<Desc/Clms Page number 5>
ouverture ou regard dans la paroi d'un four dont les températures sont élevées, par exemple un four métallurgique, tel qu'un four ouvert, le pyromètre peut être monté dans un châssis ou logement 7 possédant une chemise 8 à travers laquelle un fluide réfrigé- rant, de l'eau par exemple, peut être mis en circulation. L'ex- trémité du logement 7 la plus proche de l'endroit où le pyromètre devra être consulté peut être munie d'une plaque amovible 9 pos- sédant une ouverture de visibilité 10. Le diamètre de louvertu- re 10 est déterminée de tacon à ce qu'il reproduise la grandeur conique d'énergie rayonnante dirigée sur la surface interne de l'élément 1.
La grandeur ou l'angle de ce cône d'énergie rayon- nante est aussi déterminé par la distance relative D entre l'ou. verture à la base de l'élément 1 et l'ouverture 10.
En vue de pourvoir à l'ajustement de la distance D, le pyro- mètre peut être pourvu de moyens par lesquels il peut être glissé longitudinalement de la chemise 7 comme représenté à la Fig. 5. ceci peut être exécuté en filetant la surface externe du support 2 de facon à ce qu'elle puisse être filetée dans une plaque 11 fixée à une bride 12 sur le logement 7. Il est préférable que l'aire de contact entre le support 2 et la plaque 11 soit rela- tivement réduite de sorte que l'importance du flux de chaleur par conduction allant ou provenant du support 2 puisse être pré- déterminée pour ne pas contrarier le fonctionnement du pyromètre.
Ainsi que cela ressort manifestement d'autres vues des des- sins et des parties subséquentes de la description, les organes actionnés 3 peuvent présenter des formes variées. Le modèle repré- senté à la fig. 5 est une soupape à transmission de pression, c'est-à-dire, une soupape qui transmettra des pressions contrô- lées dans une ligne de transmission où. les pressions peuvent va- rier suivant n'importe quelle étendue désirée, disons, par exem- ple,
depuis la pression atmosphérique jusqu'à une pression
<Desc/Clms Page number 6>
voulue maximum telle que de plus ou moins 60 à 100 livres au pou- ce-carré et lesquelles pressions transmises peuvent être utilisées lorsqu'elles sont mesurées à l'aide d'un manomètre pour donner des indications directes ou visuelles de la température telle qu'elle est mesurée par la radiation totale recueillie sur la sur- face interne de l'élément 1, ou qui peuvent être utilisées pour effectuer le contrôle d'un régulateur, tel qu'indiqué schémati- quement à la Fig. 4 ou qui peuvent être utilisées pour effectuer à la fois le contrôle et l'indication.
Des organes actionnés 3 comme représentés à la fig. 5 et aussi schématiquemment à la Fig. 2, comprennent un corps de soupa- pe 13 dans lequel est aménagée une chambre 13', laquelle chambre est formée partiellement à l'intérieur du corps 3 et partielle- ment à l'intérieur d'un élément creux fileté 14. et une soupape 15.
Le corps de soupape est muni d'une voie de passage d'admission 16 à laquelle peut être reliée une source de fluide de pression tel de l'air comprimé, cette pression étant de valeur constante, et un orifice de transmission de pression 17. La source d'alimen- tation d'air comprimé devra être nette et exempte de substances étrangères si le meilleur fonctionnement du pyromètre doit être obtenu,
Le fluide de pression pénètre dans la cbambre 13' depuis l'orifice de support 16 à travers une ouverture de soupape 19.
L'ouverture 19 est contrôlée par une surface conique 20 formée à une extrémité de l'élément de soupape 15. Un orifice d'échap- pement 21 est établi dans l'élément 14 et cet orifice est contrô- lé par une surface conique 22 formée sur l'extrémité opposée de l'élément de soupape 15. L'élément de soupape 15 peut être pressé vers une position dans laquelle l'orifice 21 est fermé et l'orifice d'admission 19 ouverte, au moyen d'un ressort de com- pression 23 disposé pour agir entre une paroi de la chambre
<Desc/Clms Page number 7>
13, et une bride 24 portée par et fixée à l'élément de soupape 15.
Lorsque l'élément de soupape 15 se trouve dans la position montrée à la Fig. 5, l'orifice d'échappement 21 est fermé et l'o- rifice d'admission 19 est ouvert ce par quoi la pression maximum est développée dans la chambre 13' et délivrée à e,t au travers de l'orifice de transmission 17.
Lorsque l'élément de soupape 15 est bougé par l'élément 1 dans une direction telle que l'orifice 19 sera finalement fermé, la pression s'échappera à travers l'o- rifice d'échappement 21 à une vitesse ralentie dépendant de l'é- tendue de l'ouverture entre la surface 22 et le siège de l'ori- fice 21, et le médium de pression s'écoulera de l'orifice 16 à travers l'orifice 19 jusque dans la chambre 13' à une cadence ra- lentie dépendant du degré relatif d'ouverture entre la surface 20 et le siège de l'orifice 19, Ainsi, la pression développé dans la chambre 13' dépend de l'étranglement relatif se produisant aux orifices d'admission et d'échappement.
C'est pourquoi, lorsque la tige de soupape 15 est dirigée vers la position à laquelle l'orifice d'admission 19 est finalement fermé, la pression déve- loppée dans la chambre 13' variera par valeurs différentielles réduites allant d'une pression minimum lorsque l'orifice d'admis- sion est fermé à une pression maximum lorsque l'orifice d'échap- pement est fermé.
L'ordre de pression entre le minimum et le maximum peut être de n'importe que taux désiré tel qu'il est déterminé par le ré- sultat à obtenir. Dans des applications pratiques au cours des- quelles ce dispositif a été utilisé, cet ordre de pression a été de 60 livres ou moins par pouce carré.
L'élément sensible à la radiation 1 et son support 2 sont établis en un métal sélectionné de façon telle en considération des coefficients de la température d'expansion, que chacun de ces éléments est sujet au même changement relatif de longueur sous
<Desc/Clms Page number 8>
l'influence de la température ambiante, distincte de la tempéra- ture développée dans l'élément 1 par l'énergie rayonnante. Ain- si que représenté à la Fig. 5, l'élément 1 est creux sur une par- tie de sa longueur (X) et possède une partie pleine 27 disposée pour engager la partie 5 de l'élément de soupape 15. Lorsque la partie 27 est de même métal que la portion creuse, la longueur totale de l'élément 1, depuis le point où est située la tempé- rature ambiante, est (X1).
Dans la disposition selon la Fig 5, la longueur du support 2 est plus grande que (x1) mais cette différence de longueur est compensée en établissant la partie 14 du corps de soupape en un métal identique à celui du support et en montant les organes 3 de telle sorte que la longueur de la partie 14 s'étendant vers l'extrémité adjacente de l'élément 1 est égale à la différence entre la longueur du support et l'élément 1 sauf le petit espace 28 entre la partie 5 et la partie 27, cet espace étant ménagé lors du réglage du dispositif, cette compensation provient du fait que la modification totale de la longueur du support 2 dans une direction est compensée par la modification de la longueur de la partie de soupape 14 dans la direction opposée.
L'élément thermique 1 est de préférence établi en un métal mince et il est désirable d'utiliser un métal qui soit aussi min- ce que le permettent les exigences de solidité. Pour avoir la résistance maximum, il est préférable d'établir l'élément 1 en forme de cône. Dans la pratique, le cône a été fait d'un métal en feuille aussi mince que 0.003 pouce d'épaisseur. Un mince cô- ne fermé chauffera rapidement et réagira rapidement à l'énergie
EMI8.1
rayorJJ.1ante.
Leangle -, du cône 1 est important mais non pas critique. De préférence cet angle sera d'environ 12 et ne dé- passera pas 30 Des angles de cônes plus grands que 30 amoindrissent la sensibilité étant donné que la masse de métal
<Desc/Clms Page number 9>
à la base ou embouchure du cône provoque une perte trop rapide de chaleur vers le support. L'angle du cône peut être moindre que 12 , mais en pratique ne devrait pas être moindre qu'environ 9 , Le rapport de la longueur de cône au diamètre de son embouchure est de préférence de l'ordre de 6 : 1 à 2.5 : 1.
Le support 2 devra posséder une épaisseur de paroi substan- tiellement forte et il est préférable que l'épaisseur de la parai représente au moins vingt fois l'épaisseur du métal de l'élément 1. L'épaisseur de la paroi du support 2 ne devra pas être moin- dre que 0.06 pouce. Cependant, une paroi encore plus- forte est préférable et il a été observé que de bons résultats sont obtenus avec une épaisseur de paroi de 1/4 pouce.
Lorsque le support 2 est fait d'une forte paroi, il possède une capacité d'emmagasinement élevée de la chaleur et une grande inertie thermique. qui tendent à éviter des modifications de tem- pérature dans le pyromètre, attribuables aux conditions transi- toires de la température ambiante. Un support fortement cloi- sonné ajoute aussi à la déperdition de chaleur de :1 1' élément 1.
L'élément 1 perd de la chaleur par conduction au support 2 aux points auxquels le cône est attaché au support. Il perd aus- si de la chaleur par convexion et radiation à travers l'espace entra le corps de l'élément 1 et la surface interne du support.
L'élément 1 peut être établi en aluminium, laiton, bronze, cuivre ou autré métal approprié, possédant un coefficient de température d'expansion élevé. Ordinairement le support 2 peut même être constitué du/métal lorsque la destination particulière du pyromètre l'exige. En toute éventualité, les coefficients ther- miques d'expansion des métaux dont sont constitués le support 2 et l'élément 1, devront être tels que les modifications relati- ves de longueur par la température ambiante n'aient pas pour con- séquence un mouvement relatif entre l'extrémité libre de l'élé-
<Desc/Clms Page number 10>
ment 1 et les organes actionnés portés par le support.
Ainsi qu'il est mentionné ci-dessus, il est préférable que le support 2 soit établi d'un métal possédant une capacité élevée d'emmagasinement de chaleur et une grande conductivité thermique.
Un tel métal possède habituellement un coefficient thermique d'ex- pansion correspondant élevé. L'élément thermique 1 peut égale- ment être constitué d'un tel métal. Toutefois, un alliage mé- tallique est avantageux lorsqu'il possède la propriété inusuelle d'avoir un coefficient élevé de température d'expansion et une conductivité thermique relativement basse.
Un tel alliage aurait un degré plus élevé de réactivité aux modifications de la quanti- té totale d'énergie rayonnante reçue par la surface interne de l'élément 1. selon des annonces parques dans des périodiques professionnels un alliage de ce genre possède une résistivité électrique de 60% plus élevée que la plupart des alliages géné- ralement utilisés, un coefficient de température d'expansion plus élevé que celui de n'importe quel autre alliage solide et une conductivité thermique représentant seulement 2% de celle du cuivre, cet alliage est connu sur le marché sous la désigna- tion "Chace,Manganese Alloy N 722", voit l'annonce dans "Metals & alloys "de Juin 1945 par W.M. Chace Company.
Par conséquent l'élément 1 peut être constitué d'un métal possédant un coeffi- cient élevé de température d'expansion et une grande conductivité thermique, identique à celui du support 2, ou il peut être fait d'un alliage possédant un coefficient élevé de température d'ex- pansion mais une conductivité de la chaleur relativement basse.
Pour obtenir une plus grande efficacité de réaction à l'é- nergie rayonnante, il est préférable d'appliquer un revêtement noir à la surface interne de l'élément 1.
Lorsque le pyromètre est adapté pour actionner une soupape dont l'orifice d'échappement évacue vers l'élément 1, il est
<Desc/Clms Page number 11>
désirable d'utiliser un déflecteur tel qu'un disque élastique ou flexible 29 comme à la Fig. 2 ou des diaphragmes flexibles 30 comme représentés aux Figs. 6 à 12 inclusivement. Au moyen de ces déflecteurs, le fluide sortant, de l'air comprimé par exemple, est écarté de l'élément thermique ce qui élimine l'effet de re- froidissement sur celui-ci, aussi bien que celui de l'humidité ou de la vapeur qui peuvent y être emprisonnés.
Lorsqu'un diaphragme flexible est utilisé, il peut être mon- té sur le support entre celui-ci et le dispositif'actionné, Ces diaphragmes peuvent recouvrir complètement l'extrémité du support 2 ou seulement partiellement selon que les conditions l'exigent.
Ces diaphragmes ou éléments flexibles peuvent servir aussi comme moyens de transmission des changements dans la longueur de l'élé- ment 1 aux organes actionnés.
Dans la Fig. 7 est représenté un genre de pyromètre possé- dant une soupape 3' comme organe actionné pour transmettre des impulsions de pression de valeur variée d'une source d'alimenta- tion vers une ligne de transmission. Cette soupape diffère de celle représentée aux Figs. 2 et 5 en ce sens qu'elle ne possède qu'un seul orifice contrôlé, c'est-à-dire un orifice d'échappe- ment 21'. La soupape 3' possède un corps 13' muni d'une admission 16' conduisant à la chambre de transmission 13" et un orifice de transmission 17'.
Dans l'admission est disposé un orifice 32 qui fonctionne pour développer des chutes de pression qui varient avec les quan- tités de flux passant au travers de lui. La quantité de flux est déterminée par l'espace sur lequel l'orifice d'échappement est étranglé par l'élément de soupape 33 qui est supporté de manière réglable par le diaphragme. La transmission minimum de pression se produit lorsque l'orifice d'échappement est largement ouvert et la pression maximum est établie lorsque l'orifice d'échap-
<Desc/Clms Page number 12>
pement est complètement fermé. Dans les positions intermédiaires de la, soupape 33, des transmissions de pression correspondantes sont établies.
Si le diaphragme 30 couvre complètement l'extrémité du sup- port 2, des ouvertures 34 peuvent être disposées dans la paroi du support pour permettre l'aspiration dans l'espace entre l'élément 1 et la paroi de support. Si cet espace était hermétiquement fer- mé, l'efficacité et la sensibilité du pyromètre pourraient être affectées défavorablement.
Le pyromètre représenté aux Figs. 6 et 9 à 12 inclusivement, diffère de ceux déjà décrits par le genre ou type d'organes ac- tionnés utilisé.
Dans la Fig. 6 un manomètre à lecture directe, d'un genre communément utilisé pour mesurer de petites modifications dans la longueur, est monté sur un support 2. Une vis ou tige réglable 36 filetée au travers le diaphragme 30 est disposée pour trans- mettre le mouvement de l'élément 1 au tâteur" 37 du manomètre.
Le cadran de ce manomètre peut être étalonné en chiffres de tem- pérature ou autres quantités voulues devarit être mesurées. Le support2 est représenté comme étant plus long que l'élément 1, mais cette différence en longueur est compensée par la portion de tige 36 qui s'étend vers le bas depuis le diaphragme vers l'extrémité adjacente de l'élément 1.
Dans la Fig. 8 le dispositif actionné comprend un commutateur électrique 38 disposé pour régler le fonctionnement d'une alarme ou d'un signai 39.
Dans la Fig. 9 le dispositif d'actionnement comprend un mi- roir 40 monté de façon pivotante sur un support 41 pour régler la mise sous tension d'un dispositif sensible à la lumière 42 en réfléchissant plus ou moins des rayons lumineux transmis par une source de lumière 43 à travers une lentille 44 au miroir 40.
<Desc/Clms Page number 13>
Dans la Fig 10 le dispositif actionné comprend une résis- tance ou impédance variables sous forme d'un enroulement de bobi- ne 45 et un noyau 46 disposés pour être mis en réplique au mouve- ment de l'élément 1. Le noyau est monté sur un système de levier 47 disposé pour multiplier, si cela est désiré, les modifications dans la longueur de l'élément 1 résultant de l'énergie rayonnante.
Dans la Fig. 11, le dispositif actionné comprend un conden- sateur variable 48 disposé pour être actionné par un système de levier tel celui de la Fig.10; et dans la Fig. 12 le dispositif actionné comprend un rhéostat variable telle une pile au charbon par exemple.
Dans les cas où la destination du pyromètre nécessite un sup- port dont la longueur comparée à celle de l'élément 1 est telle que la différence ne peut pas être convenablement compensée de la manière décrite, le support peut être établit d'un nombre de sec- tion 50 et 51 réunies entre elles par un raccord fileté 52. Cha- que section est faite d'un métal dont le coefficient de tempéra- ture d'expansion est différent de celui de l'autre d'un tel de- gré qu'il n'y aura sensiblement pas d'expansion différentielle résultant de la température ambiante et par conséquent sensible- ment pas de mouvement relatif entre l'extrémité fermée de l'élé- ment 1 et la partie des organes actionnés qui est actionnée par elle et supportée par le support.
En disposant un raccord à vis tel que représenté à la Fig. 13, la longueur du support 50-51 peut être réglée jusque ce qu'une longueur soit obtenue à laquel- le sensiblement aucune expansion différentielle ne résulte de la température ambiante.
Dans la Fig.14 est représenté un pyromètre tel qu'il est adap- té pour l'utilisation comme dispositif de mesure d'énergie élec- trique par l'insertion d'une résistance ou d'un élément de chauf- fage 54 dans l'espace creux de l'élément et en relation espacée avec les parois de cet élément 1 de façon à ce que la chaleur
<Desc/Clms Page number 14>
puisse rayonner vers la surface interne de l'élément 1 en concor- dance avec la quantité de courant passant à travers l'élément de résistance. L'élément 1 subira des modifications en longueur proportionnelles à l'énergie rayonnante radiée à sa surface in- terne par la résistance.
En étalonnant le rendement du disposi- tif actionné, par exemple en étalonnant un manomètre mesurant la pression de transmission d'une soupape telle celle illustrée en 3 à la Fig. 5, ou en étalonnant le manomètre à lecture directe montré à la Fig. 6, la pression de transmission ou les indica- tions du manomètre de la Fig. 6, suivant le cas, seront la me- sure directe de l'énergie dissipée dans l'élément de résistance.
Il est évident que la disposition représentée à la Fig. 14 peut être utilisée comme compteur de courant ou elle peut être utili- sée comme relais de surcharge pour circuits électriques, mo- teurs,etc..
Les modifications décrites ci-dessus sont des exemples des formes variées suivant lesquelles l'invention peut être réalisée et les utilisations auxquelles elle peut donner lieu.
Ainsi à la Fig. une application du dispositif est celle consistant à régler la distribution d'un combustible, tel un gaz à un four,'par exemple un foyer ouvert ou autre four métallur- gique, le réglage étant effectué à l'aide d'un régistre ou d'une soupape 56 actionné par un régulateur 57 par l'entremise de le- viers et de guides appropriés 58. Le pyromètre à radiation est représenté monté dans un regard ou ouverture 59 dans la paroi du four, le pyromètre étant disposé à l'intérieur d'un logement tel celui montré à la Fig. 5, de fagon à ce que l'eau de refroi- dissement puisse circuler à travers la chemise 9.
Le pyromètre fait agir la soupape d'échappement cu dispositif actionné 3 pour transmettre des pressions au régulateur 57 et l'amené à mettre le registre ou la soupape 56 dans une position telle
<Desc/Clms Page number 15>
qu'une condition de température désirée est maintenue dans le four.
Les principes du fonctionnement du pyromètre décrit ci-des- sus comprennent la théorie de pyrométrie par radiation basée sur la loi de stefan-Beltazmn Cette loi stipule que l'échange de radiation entre des corps noirs est proportionnel à la quatrième puissance des différences entre les températures absolues des corps, L'application de ce principe au pyromètre est illustré à la Fig.l.
A la Fig.l le pyromètre consiste en un logement ayant une ouverture frontale A, et un disque circulaire B ayant une aire A2 sensible à la quantité de radiation tombant sur lui. Le disque B peut être n'importe quel genre de récepteur d'énergie rayonnante telle une pile thermo-électrique dont l'aire desti- née à recevoir la radiation est fixe ou constante.
Lorsque l'on regarde dans le four par le regard C, il apparaît que la radiation qui atteint l'élément sensible à la radiation B doit avoir son origine à l'intérieur du cône décrit par l'angle Si la distance entre l'élément B et l'ouverture est relativement grande comparée à leurs diamètres et si l'instrument, c'est-à-- dire le pyromètre,est placé de telle façon que le cône de radia- tion passe toujours au travers du regard C, alors, comme le cons- tatent Burgess et Foote dans le Bulletin of the UMS.Bureau of standards for 1915, -Ne 12, page 191, les indications sont indé- pendantes de la distance de sorte que, si l'instrument est é- talonné sur un four à corps noir, il peut être utilisé comme pyromètre.
Un récepteur de radiation ou élément sensible à la radia- tion, lorsqu'il est utilisé pour mesurer l'intensité d'une ra- diation totale doit posséder certaines caractéristiques et réu- nir certaines conditions pour donner les meilleurs résultats,
<Desc/Clms Page number 16>
savoir :
1. Le récepteur doit être sensible au plus haut degré à la radiation de toutes longueurs d'Indes, c'est-à-dire que son pouvoir absorbant de radiations doit être un maximum
EMI16.1
et son rêfléchissement un minimum.
2. Le récepteur devrait être sensible uniquement à la ra- diation dirigée ou à l'énergie rayonnante tombant sur lui et à aucun autre genre de transmission de chaleur, tel celui effectué par conduction ou convexion. pour exprimer ceci sous une autre forme, si l'on tentait d'u- tiliser un tel récepteur comme un thermomètre ordinaire, il n'aurait aucune réaction même s'il s'agissait du ré- cepteur le plus parfait. En d'autres mots, le disposi- tif ne glisserait aucune indication ni chiffre de zéro lorsque la température ambiante se modifie.
3. La réaction à l'énergie rayonnante devrait être systé- matique et de préférence linéaire, de façon à ce que les indications soient précises.
4. La réaction de l'instrument devrait être une fonction linéaire de la radiation aussi proche que possible de façon à ce qu'elle puisse être utilisée en liaison avec des indicateurs normaux sans qu'il soit nécessaire d'ef- fectuer un étalonnage spécial de chaque instrument avec lequel doit être utilisé le pyromètre à radiation.
5. L'application de l'étalonnage de l'instrument à un in- dicateur devrait pouvoir être exécuté d'une manière sim- ple et théoriquement exacte.
6. L'instrument devrait avoir une réaction rapide.
Un récepteur de radiation ou élément réagissant tel le cône 1 réunit les exigences ci-dessus dans les conditions suivantes :
Il peut être établi pour absorber pratiquement toute
<Desc/Clms Page number 17>
l'énergie incidente par le fait qu'un cône lisse à angle étroit, tel l'élément 1, tend à réabsorber les rayons par réflexion qui ne sont pas complètement absorbés par le contact initial. Ce phénomène est connu comme l'effet prismatique de Mendenhall.
Les exigences d'une réaction à un degré élevé à l'énergie rayon- nante sont bien remplies en raison de sa conformation conique.
En établissant l'élément 1 en forme de cône, il possédera une grande rigidité et solidité même s'il est fait de matière très mince. Etant fait de matière mince le cône 1 possédera, une mas- se réduite de métal et par conséquent une très basse capacité d'emmagasinement thermique, ce qui est désiré pour -des réactions rapides aux modifications de l'énergie rayonnante. Par exemple, des cônes ont été établis d'une épaisseur de laiton de 0.003" et d'une longueur d'environ 3", un diamètre à la base de 0,75" et ayant un angle de cône d'environ 12 degrés. Des cônes de cette dimension et faits de métal de l'épaisseur mentionnée ci-dessus possèdent une solidité suffisante que pour porter une charge de plusieurs livres le long de l'axe du cône sans dommage.
En vue de minimiser l'effet de la température ambiante, le cône et son logement sont, de préférence, établis en matériaux qui, dans la structure décrite ne se dilateront pas au contact l'un de l'autre lorsqu'ils sont soumis à une température ambiante commune., Par exemple, si à la fig.2, 11 est la longueur d'expan- sion effective du logement ou support pour le cône et 12 la lon- gueur axiale du cône, la théorie donnerait 11 1 = 12 2 tandis que # l et # 2 sont les coefficients d'expansion de température linéaire du support et du cône respectivement.
En vue de faire ceci exactement, il peut devoir être choisi, pour établir le support, un matériau possédant une grande valeur de # 1 et réduire sa longueur en insérant dans le support un anneau de matériau à expansion réduite tel celui représenté à
<Desc/Clms Page number 18>
la Fig. 3, si 14 représente la longueur de l'anneau inséré dont le coefficient est # 4, et 13 est une longueur possédant un coefficient # 3, les longueurs 13 et l seraient faites de telle sorte que 13 # 3 + 14 # 4 égalent la valeur désirée de 1 2 # 2 de l'équation 11 # 1 = 12 # 2.
Dans une telle disposition il peut se produire une expan- sion non compensée entre le support et le cône et la structure de mesure. Cette expansion non compensée peut être contrebalan.. cée en construisant les longueurs du système de mesure, c'est-à- dire les organes actionnés selon les structures décrites ci-a- vant, en un matériau invariable ou possédant un coefficient ex- trêmement réduit d'expansion et en utilisant le minimum de lon- gueurs oossible de telles parties non compensées.
L'on peut aussi utiliser une contreplaque de caoutcnouc ou un élément flexible tel que 29 à la Fig.2 ou comme représenté aux Fige. 9 à 12 inclusivement, de disposer un scellement entre le cône et le logement pour minimiser la convexion entre eux et pour d'autres buts décrits ci-après.
A la Fig. 2, 11 et 12 sont les longueurs du support et du cône respectivement à certaine température To et # 1 et ¯,.-1 2 sont leurs coefficients de température d'expansion à la tempéra- ture To et pour certaines modifications de To, # 1 et # 2 sont sensiblement constants, alors que pour un changement de température de To à T1, la modification de la longueur # 1 en 11 est égale à 11 1 (To - T1).
pareillement la modifica- tion # 12 est égale à 12 # 2 (To- T1) Par conséquent, pour une modification de longueur de zéro net entre 11 et 12, # 11 doit égaler # 12, ce qui est obtenu si 11 # 1 égal 12 # 2,
Un pyromètre construit suivant ce qui est décrit donne une réaction linéaire systématique à l'énergie rayonnante absorbée
<Desc/Clms Page number 19>
par la surface interne de l'élément 1.
A la Fig. 15 est montrée une courbe qui illustre l'élonga- tion du cône comme fonction de l'énergie rayonnante dirigée sur sa surface interne par une résistance électrique telle que repré- sentée à la Fig.14, comme indiqué par cette courbe, le départ de la linéarité n'est pas perceptible jusqu'à ce qu'une expansion de près de 0.007" soit atteinte. A ce point, la différence moy- enne de température entre le cône et le support était de près de 200 F, Il est préférable, en général, que le cône. soit fait d'un métal possédant une expansion élevée et une conductivité thermi- que réduite et à paroi mince.
Si la réaction du cône à la radiation est linéaire et si la réaction des organes ainsi actionnés est linéaire, un système indicateur qui possède des caractéristiques linéaires donnera une échelle linéaire par rapport à l'intensité de radiation; par conséquent, une échelle de température logarithmique normale peut être utilisée dans un tel indicateur.
Dans un modèle d'instrument ou de pyromètre réalisant l'in- vention et soumis à des épreuves il a été observé un écart de l'ordre de trente secondes, c'est-à-dire dans un intervalle de trente secondes l'instrument réagira presque complètement à la modification d'une valeur d'énergie rayonnante reçue à une autre valeur d'une telle énergie.
Dans n'importe quel dispositif, tel par exemple celui illus- tré aux Figs. 2 et 5, l'expansion totale du cône requise pour la déflection à plein rendement est de l'ordre de 0,0004"
La précision du pyromètre réalisant la présente invention est illustrée par la Fig. 16, qui représente une échelle de tem- pérature théorique pour un indicateur de température du genre bien connu dans=son utilisation commerciale, et les points d'é- preuves observés au cours d'un fonctionnement d'étalonnage de
<Desc/Clms Page number 20>
ce pyromètre. Comme il pourra être remarqué par l'examen de cet- te courbe, les taux d'épreuves observés, indiqués par de gros points, coincident sensiblement avec la courbe théorique tout au long de son étendue.
La courbe montrée à la Fig.15 représente la réaction d'un cône de laiton et d'un cône en aluminium. Il doit être remarqué que les courbes montante et descendante tombent sensiblement l'une sur l'autre indiquant ainsi le degré de précision du dispo- sitif. La courbe A1 fut obtenue avec un dispositif tel celui indiqué à la Fig. 14 possédant un organe actionné tel un manomè- tre 36. La bride à la base du cône 1 était isolée du support au moyen d'une double épaisseur de rubans de papier mince.
Ces rubans empêchaient la déperdition de chaleur de l'élément par conduction au support 2, et en conséquence la température du cô- ne était plus élevée pour les différentes valeurs d'absorption de puissance à l'élément de résistance que dans le cas de la courbe A12 où les rubans ne furent pas utilisés sur le même dispositif.
Le cône de laiton donna une réaction linéaire beaucoup plus élevée que les cônes d'aluminium, probablement en raison de ce que l'aluminium possède une plus grande conductibilité thermique que le laiton. Ainsi les températures du cône de laiton furent plus élevées étant donné que moins de chaleur fut perdue par con- dution au support 1.
Aant ainsi décrit l'invention et les principes la détermi- nant, il apparaîtra aux personnes initiées à la branche que des modifications variées peuvent intervenir dans les formes de réa- lisation de l'invention sans se départir de son esprit et de l'essence de l'invention.
<Desc / Clms Page number 1>
Radiation pyrometer.
The invention relates to differential expansion devices and, more particularly to devices in which the differential expansion is effected by radiant energy and not by ambient temperature or a temperature such as that. that can be measured with an ordinary thermometer.
It is an object of the invention to provide a radiation pyrometer which is approximately insensitive to ambient temperature or to temperatures such as can be measured with a thermometer and which is sensitive only to ambient temperature. radiant energy.
Another object of the invention is to provide a pyrometer whose reaction to the radiant energy is substantially a linear function of the total radiant energy that it
<Desc / Clms Page number 2>
receives.
Yet another object of the invention is to provide a radiation pyrometer which is of rigid and solid metallic construction suitable for operating on the principle of differential expansion and which is sensitive to radiant energy but not. not at room temperature,
Yet another object of the invention is to provide a pyrometer which is capable of directly providing temperature readings or for operating such actuated devices as valves, pressure transmission valves, electrical switches. such as those with variable impedances and inductances, or any device used as a control device or indicator or both,
and being actuated by and in correlation with the total radiant energy collected by the radiation sensitive element of the pyrometer.
Other subjects of the invention as well as the principles of its application and of its operation, some of which are obvious, will become apparent on reading the description below taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a schematic representation of a pyrometer which is illustrated for the purpose of exposing the principles and theory of construction and operation of the pyrometer embodying the invention,
Fig. 2 is a schematic illustration of a model radiation pyrometer arranged and constructed in accordance with the invention.
Tig. 3 is a schematic illustration of a modified form of the pyprmeter embodying the invention,
Fig. 4 is a schematic illustration of the radiation pyrometer when applied to an oven showing how it can be used to control the temperature in said tower.
Fig. 5 is a more or less detailed view in longitudinal section.
<Desc / Clms Page number 3>
tudinal one of the preferred forms of the invention, this form being particularly suitable for mounting in a view of the wall of a furnace and providing an adjustment element for emitting strong adjustment pulses extending over a wide range of values, which pulses are also an indication of the temperature as measured by the radiant energy collected by the radiant energy receiving element of the pyrometer.
Figs. 6 to 12 inclusive are more or less schematic views of the radiation pyrometer 4 provided with various kinds of actuated devices, ie, devices actuated by the radiation sensitive element of the pyrometer.
Fig. 13 is a partially sectional view of a pyrometer in which the support for the radiation sensitive element is composed of a number of metal sections, each having different coefficients of expansion temperature.
Fig. 14 is a more or less schematic view of a pyrometer embodying the invention suitable for measuring electrical energy.
Fig. 15 is a graph illustrating the relationship of the elongation of several radiation sensitive dissimilar metals and the power in watts supplied to a rheostat in an arrangement as shown in Fig. 14, and
Fig. 16 is a graph showing a theoretical temperature scale of a well-known temperature indicator with dots showing how a device embodying the invention can be compared in efficiency with that of said indicator.
Throughout the drawings and the description the same reference figures indicate the same parts,
The radiation pyrometer model shown in Fig 5 includes a radiation sensitive hollow member 1 which is @
<Desc / Clms Page number 4>
open at one end and closed at the other, a support 2 inside which the element 1 is arranged and an actuated device or member 3 carried by the support, adjacent to the closed end of the element 1 .
The open end of the element 1 is fixed to the support 2 by means of an annular flange 4 The flange can form an integral part of the element 1 or be made of a separate element, in which case it is suitably fixed to the support 2 and to the element 1, by being brazed or welded there.
The element 1, the support 2 and the actuated members 3 are made of a metal whose expansion temperature coefficients are such as the relative positions of the closed end of the element 1 and the part or adjacent element of the actuator as indicated at 5 and which is to be actuated by element 1, remains fixed for any value of ambient temperature to which the various parts or elements described may be subjected. In other words, there will be no differential expansion between the element 1, on the one hand, and the actuated members 3 on the other hand, when these members are subjected to equal ambient temperatures.
As can be seen from FIG. 5, the element 1 is hollow and its fixed end or base is open so that radiant energy can be directed onto its internal surface. The radiant energy thus received is intercepted from the support 2 by the element 1 and consequently only the temperature produced by the radiant energy is operative to effect modifications in the length of the element 1 with respect to the support. 2, which changes in length as will be shown below are substantially linearly proportional to the total radiant energy collected at the internal surface of element 1.
When the pyrometer is intended to be mounted in a
<Desc / Clms Page number 5>
opening or sight glass in the wall of a furnace whose temperatures are high, for example a metallurgical furnace, such as an open furnace, the pyrometer can be mounted in a frame or housing 7 having a jacket 8 through which a refrigerated fluid - rant, for example water, can be put into circulation. The end of the housing 7 closest to the place where the pyrometer is to be viewed may be fitted with a removable plate 9 having a visibility opening 10. The diameter of the opening 10 is determined per par. that it reproduces the conical magnitude of radiant energy directed on the internal surface of element 1.
The magnitude or angle of this cone of radiating energy is also determined by the relative distance D between the or. opening at the base of element 1 and opening 10.
In order to provide for the adjustment of the distance D, the pyrometer can be provided with means by which it can be slid longitudinally from the liner 7 as shown in FIG. 5. This can be done by threading the outer surface of the holder 2 so that it can be threaded into a plate 11 attached to a flange 12 on the housing 7. It is preferable that the contact area between the holder 2 and the plate 11 is relatively reduced so that the magnitude of the flow of heat by conduction to or from the support 2 can be predetermined so as not to interfere with the operation of the pyrometer.
As is evident from other views of the drawings and subsequent parts of the description, the actuated members 3 may have various shapes. The model shown in fig. 5 is a pressure transmission valve, that is, a valve which will transmit controlled pressures in a transmission line or. pressures can vary to any extent desired, say, for example,
from atmospheric pressure to a pressure
<Desc / Clms Page number 6>
desired maximum such as plus or minus 60 to 100 pounds per square inch and which transmitted pressures can be used when measured with a pressure gauge to give direct or visual indications of temperature such as it is measured by the total radiation collected on the internal surface of element 1, or which can be used to control a regulator, as shown schematically in FIG. 4 or which can be used to perform both control and indication.
Actuated members 3 as shown in FIG. 5 and also schematically in FIG. 2, comprise a valve body 13 in which is arranged a chamber 13 ', which chamber is formed partially inside the body 3 and partially inside a threaded hollow member 14. and a valve. 15.
The valve body is provided with an inlet passageway 16 to which can be connected a source of pressure fluid such as compressed air, this pressure being of constant value, and a pressure transmission orifice 17. The compressed air supply source must be clean and free from foreign substances if the best operation of the pyrometer is to be obtained,
The pressure fluid enters the chamber 13 'from the support port 16 through a valve opening 19.
The opening 19 is controlled by a conical surface 20 formed at one end of the valve element 15. An exhaust port 21 is established in the element 14 and this port is controlled by a conical surface 22. formed on the opposite end of the valve member 15. The valve member 15 can be pressed to a position in which the port 21 is closed and the inlet port 19 open, by means of a spring. compression 23 arranged to act between a wall of the chamber
<Desc / Clms Page number 7>
13, and a flange 24 carried by and fixed to the valve element 15.
When the valve member 15 is in the position shown in FIG. 5, the exhaust port 21 is closed and the inlet port 19 is opened whereby the maximum pressure is developed in the chamber 13 'and delivered to e, t through the transmission port 17.
When the valve member 15 is moved by the member 1 in a direction such that the port 19 will finally be closed, pressure will escape through the exhaust port 21 at a slower rate depending on the pressure. 'extends from the opening between the surface 22 and the seat of the port 21, and the pressure medium will flow from the port 16 through the port 19 into the chamber 13' at a slow rate depending on the relative degree of opening between the surface 20 and the seat of the orifice 19. Thus, the pressure developed in the chamber 13 'depends on the relative constriction occurring at the inlet and outlet ports. exhaust.
Therefore, when the valve stem 15 is directed to the position at which the inlet 19 is finally closed, the pressure developed in the chamber 13 'will vary by reduced differential values from a minimum pressure when the inlet port is closed at maximum pressure when the exhaust port is closed.
The order of pressure between minimum and maximum can be any desired rate as determined by the result to be obtained. In practical applications in which this device has been used, this pressure range has been 60 pounds or less per square inch.
The radiation-sensitive element 1 and its support 2 are made of a metal selected in such a way that in consideration of the coefficients of the expansion temperature, each of these elements is subject to the same relative change in length under
<Desc / Clms Page number 8>
the influence of ambient temperature, distinct from the temperature developed in element 1 by radiant energy. So that shown in FIG. 5, element 1 is hollow over part of its length (X) and has a solid portion 27 disposed to engage portion 5 of valve element 15. When portion 27 is of the same metal as portion hollow, the total length of element 1, from the point where the ambient temperature is located, is (X1).
In the arrangement according to Fig 5, the length of the support 2 is greater than (x1) but this difference in length is compensated by establishing the part 14 of the valve body in a metal identical to that of the support and by mounting the members 3 so that the length of part 14 extending towards the adjacent end of element 1 is equal to the difference between the length of the support and element 1 except the small gap 28 between part 5 and part 27, this space being provided during the adjustment of the device, this compensation arises from the fact that the total modification of the length of the support 2 in one direction is compensated for by the modification of the length of the valve part 14 in the opposite direction.
The thermal element 1 is preferably made of a thin metal and it is desirable to use a metal which is as thin as the strength requirements allow. To have the maximum resistance, it is better to establish the element 1 in the form of a cone. In practice, the cone has been made of sheet metal as thin as 0.003 inch thick. A thin closed cone will heat up quickly and respond quickly to energy
EMI8.1
rayorJJ.1ante.
Leangle -, of cone 1 is important but not critical. Preferably this angle will be about 12 and will not exceed 30 Cone angles greater than 30 lessen the sensitivity since the mass of metal
<Desc / Clms Page number 9>
at the base or mouth of the cone causes too rapid loss of heat to the support. The angle of the cone may be less than 12, but in practice should not be less than about 9. The ratio of the length of the cone to the diameter of its mouth is preferably in the range of 6: 1 to 2.5: 1.
The support 2 should have a substantially thick wall thickness and it is preferable that the thickness of the parai is at least twenty times the thickness of the metal of the element 1. The wall thickness of the support 2 is not should not be less than 0.06 inch. However, an even stronger wall is preferable and it has been observed that good results are obtained with a wall thickness of 1/4 inch.
When the support 2 is made of a strong wall, it has a high heat storage capacity and a high thermal inertia. which tend to avoid temperature changes in the pyrometer due to transient ambient temperature conditions. A heavily partitioned backing also adds to the heat loss from: Element 1.
Element 1 loses heat by conduction to support 2 at the points at which the cone is attached to the support. It also loses heat by convection and radiation through the space between the body of element 1 and the internal surface of the support.
Element 1 can be made of aluminum, brass, bronze, copper or other suitable metal, having a high temperature coefficient of expansion. Usually the support 2 can even be made of / metal when the particular purpose of the pyrometer so requires. In any event, the thermal expansion coefficients of the metals of which the support 2 and the element 1 are made must be such that the relative changes in length due to the ambient temperature do not have as a consequence a relative movement between the free end of the element
<Desc / Clms Page number 10>
ment 1 and the actuated members carried by the support.
As mentioned above, it is preferable that the support 2 is made of a metal having high heat storage capacity and high thermal conductivity.
Such a metal usually has a correspondingly high thermal coefficient of expansion. The thermal element 1 can also be made of such a metal. However, a metal alloy is advantageous when it has the unusual property of having a high coefficient of expansion temperature and relatively low thermal conductivity.
Such an alloy would have a higher degree of reactivity to changes in the total amount of radiant energy received by the internal surface of the element 1. According to advertisements in professional periodicals such an alloy has electrical resistivity. 60% higher than most commonly used alloys, a higher temperature coefficient of expansion than any other solid alloy and a thermal conductivity of only 2% that of copper, this alloy is known commercially as "Chace, Manganese Alloy N 722", is advertised in "Metals & alloys" of June 1945 by WM Chace Company.
Therefore, element 1 can be made of a metal having a high coefficient of expansion temperature and high thermal conductivity, same as that of support 2, or it can be made of an alloy having a high coefficient. expansion temperature but relatively low heat conductivity.
To obtain greater efficiency of reaction to radiant energy, it is preferable to apply a black coating to the internal surface of element 1.
When the pyrometer is adapted to actuate a valve whose exhaust port evacuates towards element 1, it is
<Desc / Clms Page number 11>
desirable to use a baffle such as an elastic or flexible disc 29 as in FIG. 2 or flexible diaphragms 30 as shown in Figs. 6 to 12 inclusive. By means of these deflectors, the exiting fluid, compressed air for example, is moved away from the thermal element which eliminates the cooling effect on the latter, as well as that of humidity or heat. vapor that may be trapped there.
When a flexible diaphragm is used, it may be mounted on the carrier between it and the actuated device. These diaphragms may completely cover the end of the carrier 2 or only partially as conditions require.
These diaphragms or flexible elements can also serve as a means of transmitting changes in the length of the element 1 to the actuated members.
In Fig. 7 is shown a kind of pyrometer having a valve 3 'as an actuated member for transmitting pressure pulses of varying value from a power source to a transmission line. This valve differs from that shown in Figs. 2 and 5 in that it has only one controlled orifice, that is to say an exhaust port 21 '. The valve 3 'has a body 13' provided with an inlet 16 'leading to the transmission chamber 13 "and a transmission port 17'.
In the inlet is an orifice 32 which functions to develop pressure drops which vary with the amounts of flow passing through it. The amount of flow is determined by the space over which the exhaust port is constricted by the valve member 33 which is adjustably supported by the diaphragm. Minimum pressure transmission occurs when the exhaust port is wide open and maximum pressure is established when the exhaust port is
<Desc / Clms Page number 12>
pement is completely closed. In the intermediate positions of the valve 33 corresponding pressure transmissions are established.
If the diaphragm 30 completely covers the end of the support 2, openings 34 may be provided in the wall of the support to allow suction into the space between the element 1 and the support wall. If this space were hermetically sealed, the efficiency and sensitivity of the pyrometer could be adversely affected.
The pyrometer shown in Figs. 6 and 9 to 12 inclusive, differs from those already described by the kind or type of actuated organs used.
In Fig. 6 a direct reading manometer, of a kind commonly used to measure small changes in length, is mounted on a support 2. An adjustable screw or rod 36 threaded through the diaphragm 30 is provided to transmit the movement of element 1 to feeler "37 of the manometer.
The dial of this pressure gauge can be calibrated by temperature digits or other desired quantities to be measured. The support 2 is shown as being longer than the element 1, but this difference in length is compensated for by the rod portion 36 which extends downward from the diaphragm towards the adjacent end of the element 1.
In Fig. 8 the actuated device comprises an electrical switch 38 arranged to regulate the operation of an alarm or a signal 39.
In Fig. 9 the actuator comprises a mirror 40 pivotally mounted on a support 41 to adjust the energization of a light sensitive device 42 by reflecting more or less of the light rays transmitted by a light source 43 through a lens 44 to mirror 40.
<Desc / Clms Page number 13>
In Fig. 10 the actuated device comprises a variable resistance or impedance in the form of a coil winding 45 and a core 46 arranged to be replicated to the movement of element 1. The core is mounted. on a lever system 47 arranged to multiply, if desired, the changes in the length of the element 1 resulting from the radiant energy.
In Fig. 11, the actuated device comprises a variable capacitor 48 arranged to be actuated by a lever system such as that of FIG. 10; and in FIG. 12 the actuated device comprises a variable rheostat such as a coal cell for example.
In cases where the destination of the pyrometer requires a support the length of which compared to that of the element 1 is such that the difference cannot be adequately compensated for in the manner described, the support can be set up by a number of section 50 and 51 joined together by a threaded connection 52. Each section is made of a metal whose coefficient of expansion temperature is different from that of the other by such a degree. that there will be substantially no differential expansion resulting from the ambient temperature and therefore substantially no relative movement between the closed end of the element 1 and the part of the actuated members which is actuated by it and supported by the medium.
By arranging a screw connection as shown in FIG. 13, the length of the support 50-51 can be adjusted until a length is obtained at which substantially no differential expansion results from ambient temperature.
In Fig. 14 is shown a pyrometer as it is suitable for use as a device for measuring electric energy by inserting a resistor or a heating element 54 into it. the hollow space of the element and in spaced relation with the walls of this element 1 so that the heat
<Desc / Clms Page number 14>
can radiate to the internal surface of element 1 in accordance with the amount of current flowing through the resistance element. Element 1 will undergo changes in length proportional to the radiant energy radiated to its internal surface by the resistance.
By calibrating the efficiency of the actuated device, for example by calibrating a manometer measuring the transmission pressure of a valve such as that illustrated at 3 in FIG. 5, or by calibrating the direct reading manometer shown in FIG. 6, the transmission pressure or the indications of the manometer of FIG. 6, as the case may be, will be the direct measurement of the energy dissipated in the resistance element.
It is evident that the arrangement shown in FIG. 14 can be used as a current meter or it can be used as an overload relay for electric circuits, motors, etc.
The modifications described above are examples of the various forms in which the invention may be made and the uses to which it may give rise.
Thus in FIG. one application of the device is that consisting in regulating the distribution of a fuel, such as a gas to a furnace, for example an open hearth or other metallurgical furnace, the regulation being carried out using a register or a valve 56 actuated by a regulator 57 through appropriate levers and guides 58. The radiation pyrometer is shown mounted in a viewing window or opening 59 in the wall of the furnace, the pyrometer being disposed therein of a housing such as that shown in FIG. 5, so that the cooling water can flow through the jacket 9.
The pyrometer causes the exhaust valve or actuated device 3 to act to transmit pressures to the regulator 57 and cause it to put the register or the valve 56 in such a position.
<Desc / Clms Page number 15>
that a desired temperature condition is maintained in the oven.
The principles of operation of the pyrometer described above include the theory of radiation pyrometry based on the law of stefan-Beltazmn This law states that the exchange of radiation between black bodies is proportional to the fourth power of the differences between them. absolute temperatures of the bodies, The application of this principle to the pyrometer is illustrated in Fig.l.
In Fig. 1 the pyrometer consists of a housing having a front opening A, and a circular disc B having an area A2 sensitive to the amount of radiation falling on it. The disk B can be any kind of radiant energy receiver such as a thermoelectric cell whose area intended to receive the radiation is fixed or constant.
When we look into the furnace through the sight glass C, it appears that the radiation which reaches the element sensitive to the radiation B must have its origin inside the cone described by the angle Si the distance between the element B and the aperture is relatively large compared to their diameters and if the instrument, i.e. the pyrometer, is placed such that the radiation cone always passes through the sight glass C, then , as Burgess and Foote find in the Bulletin of the UMS.Bureau of standards for 1915, -Ne 12, page 191, the indications are independent of the distance so that, if the instrument is calibrated on a black body furnace it can be used as a pyrometer.
A radiation receiver or radiation sensitive element, when used to measure the intensity of a total radiation, must have certain characteristics and meet certain conditions to give the best results,
<Desc / Clms Page number 16>
know :
1. The receiver must be sensitive to the highest degree to radiation of all Indian lengths, that is, its radiation absorbing power must be maximum.
EMI16.1
and its reflection a minimum.
2. The receiver should be sensitive only to directed radiation or radiant energy falling on it and no other kind of heat transmission, such as that effected by conduction or convection. to put it another way, if one tried to use such a receptor as an ordinary thermometer, it would have no reaction even if it were the most perfect receptor. In other words, the device would not slip any indication or number of zero when the ambient temperature changes.
3. The reaction to radiant energy should be systematic and preferably linear, so that the indications are precise.
4. The reaction of the instrument should be a linear function of the radiation as close as possible so that it can be used in conjunction with normal indicators without the need for special calibration. of each instrument with which the radiation pyrometer is to be used.
5. The application of instrument calibration to an indicator should be able to be carried out in a simple and theoretically accurate manner.
6. The instrument should react quickly.
A radiation receptor or reactive element such as cone 1 meets the above requirements under the following conditions:
It can be set up to absorb virtually any
<Desc / Clms Page number 17>
the incident energy by the fact that a smooth cone at a narrow angle, such as the element 1, tends to reabsorb the rays by reflection which are not completely absorbed by the initial contact. This phenomenon is known as the Mendenhall Prismatic Effect.
Due to its conical conformation, the requirements for a high degree reaction to radiant energy are well met.
By establishing the element 1 in the shape of a cone, it will possess great rigidity and solidity even though it is made of very thin material. Being made of thin material the cone 1 will have a reduced mass of metal and therefore a very low thermal storage capacity, which is desired for rapid reactions to changes in radiant energy. For example, cones were set with a brass thickness of 0.003 "and a length of about 3", a base diameter of 0.75 "and having a cone angle of about 12 degrees. Cones of this size and made of metal of the thickness mentioned above have sufficient strength to carry a load of several pounds along the axis of the cone without damage.
In order to minimize the effect of ambient temperature, the cone and its housing are preferably made of materials which in the structure described will not expand upon contact with each other when subjected to stress. a common ambient temperature., For example, if in fig. 2, 11 is the effective expansion length of the housing or support for the cone and 12 the axial length of the cone, the theory would give 11 1 = 12 2 while # 1 and # 2 are the linear temperature expansion coefficients of the support and the cone respectively.
In order to do this exactly, it may be necessary to choose, to establish the support, a material having a large value of # 1 and reduce its length by inserting into the support a ring of reduced expansion material such as that shown in
<Desc / Clms Page number 18>
Fig. 3, if 14 represents the length of the inserted ring whose coefficient is # 4, and 13 is a length having a coefficient # 3, the lengths 13 and l would be made such that 13 # 3 + 14 # 4 equal the desired value of 1 2 # 2 from equation 11 # 1 = 12 # 2.
In such an arrangement there may be an uncompensated expansion between the support and the cone and the measuring structure. This uncompensated expansion can be counterbalanced by constructing the lengths of the measuring system, that is to say the members actuated according to the structures described above, in a material which is invariable or has an extremely high coefficient. reduced expansion and using the minimum possible lengths of such uncompensated parts.
It is also possible to use a rubber plywood or a flexible element such as 29 in Fig.2 or as shown in Figs. 9 to 12 inclusive, to provide a seal between the cone and the housing to minimize convexion therebetween and for other purposes described below.
In Fig. 2, 11 and 12 are the lengths of the support and of the cone respectively at certain temperature To and # 1 and ¯, .- 1 2 are their expansion temperature coefficients at temperature To and for certain modifications of To, # 1 and # 2 are substantially constant, whereas for a change in temperature from To to T1, the modification of length # 1 at 11 is equal to 11 1 (To - T1).
similarly modification # 12 is equal to 12 # 2 (To- T1) Therefore, for a length modification of net zero between 11 and 12, # 11 must equal # 12, which is obtained if 11 # 1 equals 12 # 2,
A pyrometer constructed according to what is described gives a systematic linear reaction to the radiant energy absorbed
<Desc / Clms Page number 19>
by the internal surface of element 1.
In Fig. 15 is shown a curve which illustrates the elongation of the cone as a function of the radiant energy directed on its internal surface by an electrical resistance as shown in Fig. 14, as indicated by this curve, the start of linearity is not noticeable until an expansion of near 0.007 "is reached. At this point, the average temperature difference between the cone and the support was nearly 200 F. It is preferable , in general, that the cone be made of a metal having high expansion and low thermal conductivity and thin wall.
If the reaction of the cone to the radiation is linear and if the reaction of the parts thus actuated is linear, an indicating system which has linear characteristics will give a linear scale with respect to the intensity of the radiation; therefore, a normal logarithmic temperature scale can be used in such an indicator.
In a model of instrument or pyrometer realizing the invention and subjected to tests, a deviation of the order of thirty seconds was observed, that is to say in an interval of thirty seconds the instrument will react almost completely to the change from one value of radiant energy received to another value of such energy.
In any device, such as for example that illustrated in FIGS. 2 and 5, the total cone expansion required for full-performance deflection is on the order of 0.0004 "
The accuracy of the pyrometer embodying the present invention is illustrated by FIG. 16, which represents a theoretical temperature scale for a temperature indicator of the kind well known in its commercial use, and the test points observed during a calibration operation of
<Desc / Clms Page number 20>
this pyrometer. As will be seen by examining this curve, the observed test rates, indicated by large dots, coincide appreciably with the theoretical curve throughout its extent.
The curve shown in Fig. 15 represents the reaction of a brass cone and an aluminum cone. It should be noted that the rising and falling curves fall substantially on each other thus indicating the degree of precision of the device. Curve A1 was obtained with a device such as that shown in FIG. 14 having an actuated member such as a pressure gauge 36. The flange at the base of the cone 1 was insulated from the support by means of a double layer of thin paper ribbons.
These ribbons prevented heat loss from the element by conduction to the support 2, and consequently the temperature of the cone was higher for the different values of power absorption at the resistance element than in the case of curve A12 where the ribbons were not used on the same device.
The brass cone gave a much higher linear reaction than the aluminum cones, possibly due to the fact that aluminum has greater thermal conductivity than brass. Thus the temperatures of the brass cone were higher since less heat was lost by conduction to the support 1.
Having thus described the invention and the principles determining it, it will appear to those initiated in the branch that various modifications can intervene in the forms of realization of the invention without departing from its spirit and its essence. of the invention.