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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
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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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1. Spécificité des mesures à basse température
Pour réaliser une mesure correcte à basse température, il faut tenir compte, non seulement de l’aspect instrumentation, mais également de l’environnement, de l’accessibilité, du couplage thermique...
La qualité de la mesure dépend du choix du capteur, de sa mise en œuvre et des précautions prises lors du montage. L’apport de chaleur lié à la prise de mesure doit être minimisé, d’une part, pour ne pas perturber le système mesuré et, d’autre part, pour ne pas fausser la mesure. Ce paragraphe contient quelques recommandations importantes pour effectuer ce type de mesures.
1.1 Couplage thermique
Pour obtenir une mesure de température de qualité, il faut minimiser l’écart de température entre le capteur et l’élément à mesurer. Pour cela, il est possible d’agir sur les paramètres suivants : contact thermique, flux thermique par conduction, autoéchauffement du capteur, rayonnement thermique.
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La résistance de contact dépend du matériau et de son état de surface. La surface réelle d’échange est très faible devant la dimension apparente de contact. Les imperfections, la rugosité des surfaces en contact limitent à quelques points le passage de la chaleur. Pour améliorer le couplage thermique entre deux corps, on peut agir soit sur la résistance de contact, soit sur la surface d’échange. La surface d’échange dépend de la force de serrage. Sous la pression due au serrage, les aspérités des surfaces se réduisent, la surface d’échange augmente, la conductance apparente s’améliore.
Pour les capteurs montés sur support, une attention particulière doit être prise lors de l’assemblage afin d’utiliser des vis dont la contraction différentielle avec le support garantit une force de serrage suffisante (200 à 1 000 N). Ce serrage doit assurer une résistance de contact minimale à peu près constante, malgré les variations de température.
Des colles ayant des conductivités thermiques compatibles avec les précisions de mesure souhaitées peuvent également être utilisées pour fixer des capteurs. Quelques références de colles sont données dans l’encadré 1.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WEISEND (J.G.) - Handbook of cryogenic engineering. - Taylor & Francis, Philadelphia (1998).
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(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).
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(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).
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(5) - PAVESE (F.), MOLINAR (G.) - Modern Gas-Based Temperature and Pressure Measurements. - Plenum Press, New York (1992).
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