Réalisation de sondes thermiques très fines pour la mesure de températures dans l'eau

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Réalisation de sondes thermiques très fines pour la

mesure de températures dans l’eau

C. Truchasson

To cite this version:

17

RÉALISATION

DE SONDES

THERMIQUES TRÈS

FINES

POUR LA MESURE DE

TEMPÉRATURES

DANS L’EAU

Par C. TRUCHASSON

Institut de

_Mécanique

des Fluides, Toulouse.

Résumé. 2014 Pour la mesure de _température au sein d’un écoulement _d’eau, on donne à la sonde la forme d’un étrier dont la base a 4 mm de long et est constituée de fils de _couples de _0,03 mm de diamètre. Il est _possible de réaliser un fin _support des fils en verre et de le travailler soi-même sans

connaissances _spéciales. Nous décrivons le _procédé de fabrication et une _application de mise en

place délicate.

Abstract. 2014 For

temperature measurement in a water _flow, the _probe is made of, a _{stirrup shape}

the foot of which is 4 mm _long. It is made of 0,03 millimeter wide

_thermocouple

wires. It is possible to construct a thin _{glass support} for the wires, and to make it _oneself, without any special technical _knowledge. We describe a method of _making it and _{setting it up in} a difficult

experi-mental situation.

PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT NO 3.

TOME 25, MARS _1964, PAGE

Introduction. - Des recherches

en

labo-ratoire

_[1]

nous ont conduit à essayer de mesurer

au sein de

_l’eau,

des

_{températures}

dans un domaine

de l’ordre de

_quelques

_{millimètres,}

où existait suivant une

_direction,

un

gradient

de

_température

pouvant

atteindre 20

_degrés

_{C par millimètre}

_[2].

En

_essayant

d’utiliser les sondes les

_{plus simples,}

nous avons constaté des erreurs

_{systématiques.}

Nous avons alors réalisé une sonde

_thermique

très

fine

_qui

_permet

des mesures

_précises,

sans

per-turber sensiblement le

_{phénomène physique.}

La

réalisation de la sonde est délicate à

_partir

de matériaux courants. La mise en

_place

de la sonde

dans les conditions

_{particulières}

où nous l’avons

utilisée est difficile.

Nous décrivons ci-dessous

_{l’essentiel}

des réali-sations que nous avons effectuées.

1.

_Imperfection

d’une sonde à élément sensible

en bout. - Pour

mesurer la

_température

au sein

de

_l’eau,

nous avons d’abord réalisé des

soudures

de

_0,25

mm d’encombrement maximal à

l’extré-mité de deux fils de

_{couple parallèles :}

un fil de constantan de

_0,08

mm de diamètre et un fil de

0,10

mm de diamètre en cuivre émaillé. L’émail

isolait le cuivre du constantan. Un tube de verre

isolait les fils de

_couple

du

_{support mécanique}

constitué par une

aiguille hypodermique

( fig. 1).

L’extrémité de la sonde était

_protégée

_par un revêtement à chaud de cires.

L’expérience

montre des résultats différents

sui-vant le sens du

gradient

de

température

_par

rap-port

à la

_{sonde, malgré}

les

_précautions

consistant à laisser les fils de

_{couple dépasser}

de la

_gaine

de

verre de 2 mm

_environ,

et laisser la

_gaine

de verre

dépasser

de 5 mm de

_l’aiguille

_{hypodermique.}

La

température

semblait

_plus

élevée

_quand

les fils ou

le

_support

_pouvaient

_apporter

de la chaleur à

Fie. 1. - Sonde

thermique

à soudure en bout (les carrés ont un côté de 1 _mm).

l’élément

_sensible,

et

_plus

faible dans le cas

con-traire

_{(fig. 2).}

,

Ce

_phénomène,

_{caractéristique}

de la sonde

ther-mique

à soudure en bout

pouvait

être attribué

partiellement

ou totalement à : la conduction par

les fils de

_{couple ;}

_{la conduction par le} verre _{et par}

l’acier de

_l’aiguille

_{hypodermique ;}

un défaut

d’iso-lement des deux fils de

_couple

hors de la

_soudure,

de sorte _{que l’élément sensible du}

_thermocouple

ne

soit pas exclusivement constitué par la

soudure,

par exemple si l’émail du cuivre est écaillé et si l’étanchéité à l’eau n’est pas

parfaite.

18

FIG. 2.’- ’Résultats de mesures avec

_{soudures’en}

bout.

X _{Entrée par A d’une sonde à fils} 0 _{0,08 et 0,10} mm.

+ Entrée par B d’une sonde à fils 0 0,08 et 0,10 mm.

0 _{Entrée par} A d’une sonde à fils 0 0,03 mm.

io Entrée par B d’une sonde à fils 0 0,03 mm. Nous avons alors effectué un _{nouvel essai} en

employànt

des tubes de verre moins

_épais

et des fils de

_couple

de cuivre et de constantan

parfai-tement isolés

₍₁₎

de

_0,03

mm de diamètre.

L’élément sensible constitué

_{par la}

soudure avait

un diamètre inférieur à

_0,15

mm

_{(fig. 3).}

La finesse

FIG. 3. - Soudure

en bout sur fils de 0,03 mm de diamètre.

Les carrés ont 1 mm de côté.

(1) Chacun’dans unTcanal du tube-à deux canaux

iden-tiques à ceux’décrits _plus loin dans le

_paragraphe

3. Pour obtenir une

_{perturbation plus}

faible du milieu

_exploré,

nous

avons limé sur du

_papier

de verre, l’extrémité du tube de verre, de _façon à lui donner une forme

_pointue.

des fils de

_couple

ne

_permit

_pas de laisser la soudure

dépasser

du

_support

de verre d’une

_longueur

donnée.

Les mesures

_thermiques

effectuées

_ont,

là _encore,

conduit à des résultats différents suivant le côté par

lequel

on introduisait la sonde. Ces

_expériences

confirment donc bien les défauts des sondes

ther-miques

à soudure en

bout,

attribués à des

phéno-mènes de conduction

_{thermique parasite.}

En

_outre,

dans l’utilisation de ces sondes

_près

de

la

_paroi

d’un écoulement d’eau en

_{régime turbulent,}

il est

_possible

_{que l’élément sensible}

_perturbe

l’écoulement

_{différemment,}

suivant

_{qu’il pénètre}

dans la zone laminaire à

partir

du noyau turbulent

(provoquant

en

quelque

_sorte,

une diminution

d’épaisseur

de la zone

laminaire)

ou suivant

_qu’il

affleure à

_partir

de la

_paroi

_(étendant

en

_quelque

sorte le domaine

_laminaire).

2. Les

_avantages

du

_principe

de la sonde étrier. -- pour éliminer les erreurs introduites par la

con-duction _par les fils et _{par les}

_supports,

d’autres laboratoires

_[3]

_{utilisent des sondes étriers pour les} mesures

thermiques.

Le

support

mécanique

de la sonde se divise en deux pour constituer un V.

L’élément sensible est au centre du fil tendu à

l’extrémité du

_V,

donnant une forme d’étrier à

l’extrémité de la sonde.

Le fil tendu est ainsi dans une zone à

_gradient

de

température

nul si on oriente convenablement la

sonde : nulle chaleur n’atteint l’élément sensible

par conduction le

long

des fils de

couple.

Le fil de

l’étrier est

_{perpendiculaire}

à

_{l’écoulement,}

et la

perturbation

hydraulique

créée _{par l’élément}

sen-sible et le fil est alors réduite au minimum.

Certes,

la sonde étrier n’est pas

parfaite.

Il existe en toute

_rigueur

une

perturbation

de

l’écou-lement constituée surtout _{par le V de}

_l’étrier,

et la conduction le

_long

du

_support

conduit à une

tempé-rature

_{d’équilibre}

non uniforme le

_long

de la base de l’étrier. Mais elle

_présente

des

_avantages

certains

sur les sondes à soudure en

bout,

lorsque

l’élément

sensible doit être mobile suivant une direction où

le

_gradient

de

_température

est élevé.

Nous décrivons

_ci-après,

le

_procédé

de fabrication d’une sonde utilisable dans l’eau et de dimensions

plus

réduites _que celles dont nous connaissions

l’existence.

3. Réalisation de la sonde étrier. - Nous

avons

décidé de réaliser une sonde étrier dont la base ait 4 mm de

_longueur

_environ,

et _{soit constituée par}

des fils de

_couple

_ayant

moins de

_0,05

mm de

diamètre.

Pour résoudre le

_problème

_{de l’isolement par}

rapport

à l’eau sans nuire à

_{l’encombrement,}

nous

choisissons de laisser nus l’élément sensible et la

base de

_l’étrier,

et d’isoler

_{soigneusement}

tout le

3-1. EMPLOI DU VERRE COMME ISOLANT

ÉLEC-TRIQUE. -

Nous avons

_{remarqué qu’un}

tube de

verre constitue un isolant de

_qualité,

très

_{pratique :}

son intérieur très

_lisse,

_permet

d’enfiler un fil de

mauvaise tenue

_mécanique

et de diamètre inférieur à

_0,05

mm sans donner des frottements

_prohibitifs.

Aussi avons-nous demandé à un artisan du verre

de nous fournir des tubes de verre constitués de

deux canaux étanches soudés

_{parallèlement,}

pré-sentant

chacun

_0,05

mm de diamètre intérieur

minimal et

_0,30

mm de diamètre extérieur maxi-mal.

_Chaque

tube devait mesurer au moins 150 mm

de

_long.

Par

_étirage

à chaud de

_tubes,

cet excellent artisan

_[4]

nous fournit des

_longueurs

_comprises

entre 200 mm et 500 mm de tubes

_jumelés

répon-dant aux

_{caractéristiques}

ci-dessus

_(2).

Nous avons alors

_entrepris

de travailler

nous-mêmes ce tube de verre _pour

_qu’il

constitue les

deux branches du V de l’étrier.

3-2. RÉALISATION DU V DE L’ÉTRIER. - Sur

une

longueur

d’environ 1 _cm, nous

_séparons

sans les

casser, les deux canaux

qui

constituent le

tube,

,en frottant

légèrement

à l’aide d’une lame de rasoir. La

_première

_séparation

fut obtenue dans de

l’eau,

soùs un

microscope.

Cette

opération

fut

ensuite réalisé à sec avec un certain

_pourcentage

de

succès

_(3).

Puis,

les deux tubes sont

_{légèrement incurvés,}

l’un

_{après l’autre,}

en les

_présentant

à

proximité

d’une flamme de

_briquet

_{à gaz}

_(4).

Nous réalisons ainsi les montants de l’étrier en

_prenant

garde

de ne _{pas boucher} un des conduits par ramollissement

du verre

_{(fin. 4). Lorsque}

le tube bicanal est muni

FIG. 4. - Formation de l’étrier

(cotes

_en millimètres).

(2) D’après le fabricant de ces tubes minuscules, la seule difficulté était _{d’acquérir} un certain « tour de _{main » ; ;} la

réalisation proprement dite d’une dizaine de longueurs ne

demandait que quelques minutes.

(3) Nous avons _{remarqué que le pourcentage} des échecs variait de façon très

_important

d’un lot de tubes à un

autre. Il semblerait que ce _phénomène ne _{soit pas}

essentiel-lement

_imputable

aux conditions artisanales variables de

réalisation des tubes, mais surtout au _type de verre et a

ses

_qualités

_mécaniques, à l’arrivée chez l’artisan.

(4)

Il suffit de _protéger l’autre tube, par

exemple

par un

fragment de lame de rasoir en forme de cavalier.

d’un

_étrier,

il est

_coupé

à la

_longueur

voulue

_(entre

150 et 180

_mm).

Il faut alors enfiler les fils de

couple

et réaliser une soudure aussi fine que

possible.

3-3. LES FILS DE COUPLE ET LA SOUDURE. - Les

fils de

_couple

ont

_0,03

mm de diamètre. Nous

enfilons le fil de cuivre dans un canal de verre, et

le fil de constantan dans l’autre.

_{L’opération}

est

rendue

_longue

et _{délicate par la} faible

_rigidité

et la mauvaise tenue

_mécanique

du fil de cuivre. La brasure

₍₅₎

des fils de

_couple

dans la flamme d’un

briquet

à gaz

permet

de réaliser des éléments

sen-sibles de diamètre très réduit. Il faut chauffer

suffisamment

pour

permettre

à la brasure de souder les deux

_fils,

sans _pour

_autant,

volatiliser le fil de

cuivre,

par

exemple

par une

_{présentation}

_trop

longue

à la flamme.

On examine la soudure au

_microscope

et on la

réduit avec des ciseaux

_{d’ophtalmologie.}

La

_plus

grande

dimension de

_chaque

soudure est

_comprise

entre

_0,05

et

_0,12

mm

_{(fig. 5).}

Pour une vitesse

de 2

_cm/s,

le nombre de

_{Reynolds qui}

caractérise

FIG. 5.

_{-, Soudure}

du fil

_{de!diamètre¡O)03}

mm

;pour

sonde étrier.

l’obstacle

_offert

à l’écoulement

;d’eau

est alors de l’ordre de l’unité. Dans ces

_conditions,

on

_peut

estimer que la

_perturbation

_hydraulique

est tout

à fait

_acceptable.

Il reste alors à mettre eh

_place

les différents éléments

_’pour

constituer la

1-sonde

proprement

dite.

(5) Avec un _apport de brasure « Castollin » : 2 à 3

pré-sentations d’une durée de l’ordre de la _seconde, à 1 à 2 cm

20

3-4. CONSTITUTION DE LA SONDE. - Le fil de

couple

est tendu de

_façon

à mettre la soudure au

milieu de la base de

l’étrier ;

il est immobilisé à la sortie de

_chaque

_{branche par} une

_goutte

de

paraf-fine

_qui

remonte _par

_capillarité

à l’intérieur des

canaux de verre et interdit la moindre entrée

d’eau. On donne enfin à la base de l’étrier une

forme

_adaptée

à la

_paroi

voisine.

Lorsque

la sonde est mise en

_place,

l’ensemble de

verre est situé à l’intérieur d’une

_aiguille

hypo-dermique

en acier

_inoxydable

de diamètre intérieur

0,60

mm et de diamètre extérieur

0,80

mm

_{( fig.}

_6).

L’aiguille

hypodermique

n’atteint pas le V de

FIG. 6. - Extrémité de la sonde étrier

(les carrés ont un millimètre de _côté).

l’étrier,

et est _{collée par de la}

_paraffine

sur le tube

de verre. Cette

_aiguille

en acier

_permet

_par

_exemple,

l’avancement de la sonde _par une butée

micro-métrique

définissant le centième de millimètre.

3-5.

_REMARQUES

GÉNÉRALES. - La

réalisation de ces sondes est

_délicate,

mais

_plus

_{facile que} ne le

laissaient

_prévoir

les

_premières

tentatives. Le

réali-sateur doit être

_patient

et se

_révéler,

à

_l’usage,

relativement adroit

_(6).

(8)

Le technicien _qui réalisa les sondes en «

_petites

_{séries »}

ne semblait pas

prédestiné

à ce _{genre de travail. Il s’était}

en effet signalé par une certaine maladresse. En lui donnant des conditions de calme et de confort relatif _(aucune trépi-dation ni bruit assourdissant dans un bureau où ne

tra-vaillait

_qu’une

seule autre personne), il a _acquis avec

l’entraînement une certaine maîtrise de ses _gestes,

_puis

un

excellent tour de main : les _{premiers jours,} il enfilait le cuivre et le constantan dans une sonde et réussissait une

soudure

_(sur

une sonde de verre

_{préalablement}

_formée) en

une _{journée ;}

_quelques

semaines plus tard, il confectionnait entièrement 3 ou 4 sondes en une _{demi-journée.}

Il _{semble que les mêmes matériaux}

_puissent

servir à confectionner des sondes

_{thermiques plus}

fines. Par

_exemple

des fils de

_{couple plus}

fins

peuvent

être

_enfilés,

en les soudant à des fils de

0,03

mm de diamètre

_{préalablement}

_engagés

_dans un canal. Mais dans le cas

_précis

des

_expériences

qui

nous

_{intéressaient,}

la vitesse du fluide et les

exigences mécaniques

ont limité à

_0,03

mm le

dia-mètres des fils

_de

_couple.

4.

_Application.

- Mise _en

place

des sondes-étriers dans un

_tuyau

en acier

_inoxydable

de 70 mm

de diamètre intérieur

_percé

de trous de

_0,80

mm

de

_diamètre,

et mesure

_{thermique près}

de la

_paroi

opposée.

4-1. PASSAGE DE LA SONDE PAR UN TROU DE

0,80

mm DE DIAMÈTRE. - Une sonde de 160

mm

de

_long

et de 4 mm de

_large

à son extrémité est de mise en

_place

assez

_délicate,

suivant un diamètre

d’un

_tuyau

en acier

_inoxydable

de 3 mm

d’épais-seur et 70 mm de diamètre

_{intérieur, percé}

d’un

trou de

_0,80

mm de diamètre.

Le

_principe

est

_{simple :}

la sonde de verre

com-portant

l’élément sensible est fractionnée en trois

éléments de moins de 70 mm de

_long

et introduite

« à reculons » par l’intérieur du

_tuyau

dans le trou

FIG. 7. - Mise _en

FIG. 8. - Sonde

reconstituée et mise en

_place.

_(Pour faciliter la représentation, les échelles verticales et horizontales sont _{différentes).}

de

_0,80

mm de diamètre de la

_{paroi (fig. 7).}

La sonde est reconstituée

_{lorsqu’elle}

sort de la

_paroi

(fg.8).

Nous

_{reconnaissons que la mise} en

_place

d’une telle sonde demande souvent

_plusieurs

heures et

exige

une certaine attention.

_Malgré

le

_grand

nombre

_{d’opérations}

délicates et d’incidents

(sur-tout « 1,q situ

_»),

ce

_montage

est réalisé avec un

pourcentage

intéressant de succès de l’ordre de

30 % (7).

L’aiguille

hypodermique

traverse la

_paroi

à

frot-tement doux sans

_{presse-étoupe.}

Sous 5 mètres de

charge d’eau,

une

_goutte

d’eau

_qui

suinte entre

l’aiguille

et la

_paroi,

donne une très faible fuite d’eau.

4-2. LE REPÉRAGE DE LA POSITION EXACTE DE

L’ÉLÉMENT SENSIBLE. - Une butée

micrométrique

(7 ) En introduisant une _tige à l’intérieur du _tuyau, il

faut guider les éléments de sonde en verre _{pour favoriser}

leur présentation dans le trou de _0,80 mm à arêtes vives.

La _rupture accidentelle d’un élément de verre accroît la difficulté de reconstitution (la sonde est _{irrécupérable} si le

morceau de verre brisé mesure environ 1 _mm). S’il _y a rupture d’un fil de 0,03 mm, il faut recommencer

cer-taines _{opérations après} avoir soudé un autre fil dans son

prolongement (la sonde est _{irrécupérable} si un fil se _rompt

à l’intérieur du verre ou au ras de _{celui-ci) ;} il faut prendre garde à ne _pas

_plier

les fils dont la tenue _mécanique est très faible. La sortie accidentelle d’une _{longueur trop} importante du 3e élément de verre a _pour effet de briser

l’étrier de verre sans _possibilité de _réparation.

La reconstitution de la sonde, l’isolement des fils aux

joints et le _collage du verre dans la sonde, sont obtenus par de la _{paraffine qui} doit être maintenue à l’état _pâteux pendant l’introduction de _{l’aiguille hypodermique :} en

chauffant les zones enduites de _paraffine avec la flamme d’un briquet pendant l’introduction délicate mais rapide

des éléments de verre dans la gaine métallique jusqu’à ce

que le verre _dépasse de _{l’aiguille.}

La fixation sur le _piston mobile de la butée est délicate

et se fait en veillant à l’isolement électrique.

Lorsque le _montage est terminé, on vérifie à l’ohmmètre la continuité électrique des fils de _couple et leur isolement par rapport à la _paroi, à la _{gaine métallique} et à la butée micrométrique. S’il n’est pas bon, il faut tout recommencer,

ce

_qui

_exige la destruction de la sonde en

_place.

reposant

sur un

_support

en forme de

_raquette

assure le

_déplacement

de la sonde à travers une

mince fenêtre

_découpée

dans le

_{calorifugeage (fig.}

₉₎

Dans le cas de ces

_expériences

dans un

_tuyau

cylindrique,

[2],

la sonde

_présente

en raison de son

poids

et du

_courant,

une

_légère

flèche dans le sens

FIG. 9. - Une

partie de l’installation _{d’expériences}

com-portant le bas du _tuyau

_calorifugé

et la sonde munie de

22

longitudinal qui

détermine une flèche transversale

faible,

laquelle

s’ajoute

à la flèche

_imputable

à la courbure de la

_paroi.

En

_effet,

si le

_profil

_portant

la soudure est

_parfaitement

_tendu,

la base de l’étrier constitue la corde d’un arc. Dans le cas

d’un étrier de 4 mm de

_large,

la flèche mesure

_près

de

_0,06

mm. _{C’est la raison pour}

_laquelle

d’une

part,

on essaie de donner une forme

_légèrement

convexe à la base de

_{l’étrier ;}

d’autre

_part,

on

examine

_optiquement

le

_type

de contact et l’ordre de

_grandeur

de la distance de la soudure à la

_paroi

lors du contact

_optique

de l’étrier avec la

paroi.

Pour cela nous éclairons le

_tuyau

par un bout et

disposons

un miroir à 450 à l’autre _{extrémité pour} examiner commodément la sonde avec une lunette

(flg.

10).

Parfois le contact avec la

paroi

n’est pas

symétrique.

Il nous est arrivé de

_{modifier’la}

forme

Fie. 10. - Photo de la sonde _en

place

dans le _tuyau telle

qu’elle apparaît

dans le _système de visée.

de la base de l’étrier avec une

tige

de

_près

d’un mètre de

_long

_{introduite par} l’extrémité inférieure du

_{tuyau :}

mais il

_s’agit

là d’une

_opération

très hasardeuse.

La tenue

_mécanique

du fil de

_0,03

mm en

cons-tantan,

est assez bonne pour donner une forme

permanente

à la base de l’étrier.

Nous

_repérons

les cotes _par

_rapport

à la

_position

correspondant

au contact du fil de

couple

de

l’étrier avec la

paroi

métallique. Malgré

l’écou-lement d’eau de la

_ville,

le contact

_{s’accompagne}

en effet d’une

_brusque

variation de résistance

entre le circuit du

_couple

et la

_paroi

du

_tuyau,

qui

est facilement décelé à l’ohmmètre. 4-3. UTILISATION DE LA SONDE. - Il est

agréable

de constater _{que la sonde ainsi réalisée} et mise en

place

n’est pas brisée dans un écoulement d’veau

dont le nombre de

_Reynolds

_peut

varier de 5 000 à 30 000. Mais la

_fragilité

de la

_sonde,

et

particu-lièrement de son

_extrémité,

_exige

une

mani-pulation prudente.

Le contact

_répété

avec la

_paroi

provoque une

_rupture

du fil de cuivre de

0,03

mm.

Les résultats obtenus

_[5]

sont fidèles et

cohé-rents. Ils donnent à _{penser que la sonde}

_employée

est

_adaptée

à ce

problème

de mesure fine des

températures

(fig. 11).

FIG. 11. - Fidélité des mesures.

Conclusion. - Les

procédés

de fabrication et de mise en

_place

des sondes décrits ci-dessus sont

per-fectibles. Les _{matériaux que} nous avons

_employés

montrent

_qu’il

est tacile de réaliser des sondes très fines

_permettant

des mesures

_ayant

un sens

phy-sique.

Il ne fait pas de doute que, en

_adaptant

les

pro-cédés

_utilisés,

ou

_simplement

en s’en

_inspirant,

il

est

_possible

de réaliser des éléments de mesures assez fins et

_précis

_{pour des conditions}

d’expé-riences différentes.

De tels

_{procédés paraissent susceptibles}

d’appli-cations intéressantes dans la recherche de labo-ratoire.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Laboratoire

_{d’Hydraulique}

de l’ENSEEH de Toulouse.

Professeur ESCANDE, Membre de l’Institut, Directeur.

[2] Contribution à l’étude de la convection forcée en _régime

turbulent pour des nombres de Prandtl supérieurs à

un. Thèse n° _{207, présentée} le _{28 juin} 1963 à Toulouse. [3] En

_particulier

au

_Laboratoire

_{d’Aérothermique} du

C. N. R. S. à Bellevue, Seine-et-Oise, dont le Pro-fesseur BRUN est Directeur.

[4] M. WAGNER, 3, rue _Notre-Dame, Toulouse.

[5] Mesures de températures dans la sous couche laminaire.

Chemical _{Engineering Science, Pergamon} Press

_(sous