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RÉSUMÉ
La cryogénie est le domaine des températures inférieures à 100 K. Elle est utilisée dans de nombreux domaines industriels, notamment en agro-alimentaire ou en médecine. Cet article présente les spécificités des mesures pour ces basses températures. Puis il explicite les méthodes de mesure de la température et la détermination des caractéristiques d’un fluide cryogénique : le niveau, la pression, le débit et le taux de vide.
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Philippe BREDY : Ingénieur, Service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme,Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Saclay
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Daniel COMMUNAL : Ingénieur, Service des Basses Températures, Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Grenoble
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Philippe GANDIT : Chargé de Recherche, CNRS, Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT), Grenoble
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Bertrand GAUTIER : Ingénieur de Recherche, CNRS, Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT), Grenoble
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François KIRCHER : Adjoint au Chef du Service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme, Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Saclay
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Bernard ROUSSET : Ingénieur, Service des Basses Températures, Commissariat à l’Énergie Atomique,CEN Grenoble
-
Jean-Pierre THERMEAU : Ingénieur, Institut de Physique Nucléaire, IN2P3, Orsay
INTRODUCTION
La cryogénie, domaine des températures inférieures à 100 K, n’est plus aujourd’hui une science réservée aux laboratoires de recherche. En effet, les progrès technologiques réalisés au cours du XX e siècle, permettent maintenant l’achat de cryostats ou de machines frigorifiques qui peuvent atteindre des températures proches de la température thermodynamique (– 273,15 oC). De nombreuses activités industrielles utilisent actuellement les basses températures. Citons par exemple, l’industrie agroalimentaire, les industries de propulsion, la médecine avec l’imagerie médicale à résonance magnétique nucléaire (IRM), la biologie, le spatial, le stockage des gaz sous forme liquide (gain de place et sécurité)...
Après avoir donné quelques principes généraux, nous verrons dans cet article comment on mesure la température d’un corps, la pression, le débit et le niveau d’un fluide cryogénique.
Le lecteur pourra se reporter aux articles « Cryogénie » de l’ouvrage Génie énergétique pour la production des températures cryogéniques et leur mise en œuvre ainsi que pour les propriétés physiques aux basses températures.
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3. Caractérisation d’un fluide cryogénique
3.1 Niveau
Une mesure de niveau consiste à utiliser tout phénomène physique dont l’intensité va varier en fonction du niveau de fluide cryogénique. Différentes grandeurs physiques pouvant être utilisées sont répertoriées à titre d’exemple dans l’encadré 2.
1. Grandeur électrique :
-
résistivité
-
capacité
2. Grandeur mécanique :
-
pression
-
force (Archimède)
3. Grandeur ondulatoire :
-
acoustique
-
électromagnétique
La valeur physique ainsi obtenue contient l’information nécessaire à la détermination du niveau de fluide à mesurer.
HAUT DE PAGE3.1.1.1 Qu’est-ce qu’une mesure de niveau ?
C’est une hauteur repérée par rapport à un plan de référence choisi arbitrairement. On prendra par exemple, pour plan de référence, le bas du réservoir à mesurer, le niveau le plus bas en dessous duquel on ne veut pas descendre, le niveau normal d’un vase de stockage, etc.
Il existe deux types de valeurs de niveau :
-
la première, dite hauteur vraie, est une hauteur géométrique représentant la distance entre le haut du fluide et le plan de référence. Elle s’exprime en unités de longueur ;
-
la seconde est appelée hauteur hydrostatique ou manométrique. Elle représente la pression exercée par la colonne de liquide entre le plan de référence et le haut du fluide à mesurer. Elle est exprimée en unités de pression.
On peut représenter la hauteur manométrique de la manière suivante (figure 4) :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WEISEND (J.G.) - Handbook of cryogenic engineering. - Taylor & Francis, Philadelphia (1998).
-
(2) - AMAND (J.F.) et al - Neutron Irradiation Tests in Superfluid Helium of LHC Cryogenic Thermometers. - International Cryogenic Engineering Conference ICEC17, p. 727-730, Institute of Physics Publishing, Bristol (1998).
-
(3) - JUNQUERA (T.) et al - Neutron Irradiation Tests of Calibrated Cryogenic Sensors at Low Temperatures. - Adv. in Cryogenics Eng., vol. 43A, p. 765-772, Plenium Press, New York (1998).
-
(4) - Techniques for approximating the International Temperature Scale of 1990. - BIPM, 1990 Traduction française par le BNM, Techniques simplifiées permettant d’approcher l’échelle internationale de température de 1990, Collection des monographies du BNM, Éditions Chiron (1991).
-
(5) - PAVESE (F.), MOLINAR (G.) - Modern Gas-Based Temperature and Pressure Measurements. - Plenum Press, New York (1992).
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