Mesure de température sans contact par détection infrarouge Bases
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Mesure de température sans contact par détection infrarouge Bases théoriques Auteurs : Dr. Ing. Klaus-Dieter Gruner Ing. Pascal Vamour [email protected] [email protected] Sommaire Préface 1. Pourquoi utiliser les thermomètres infrarouges ? 2. Le système de mesure par infrarouge 2.1. La cible 2.1.1. Réglage de l’émissivité 2.1.2. Mesure des métaux 2.1.3. Mesure des plastiques 2.1.4. Mesure des verres 2.2. Environnement 2.3. Optique et fenêtres 2.4. Détecteurs 2.5. Affichage et interfaces 3. Pyromètres spéciaux 3.1. Pyromètres à fibre optique 3.2. Pyromètres bichromatiques 4. Indice bibliographique 3 4 Préface Ce manuel s’adresse avant tout aux personnes de terrain ne maîtrisant pas encore très bien la mesure de température sans contact ou n’ayant pas jusqu’ici eu l’occasion de l’employer au quotidien. Dans ce manuel, nous avons essayé de présenter ce thème aussi simplement que possible. Les lecteurs désireux d’approfondir le sujet sont priés de se référer aux œuvres figurant en annexe, dans l’indice bibliographique. Les explications comprises dans cette brochure concernent essentiellement l’utilisation des appareils et tentent de répondre aux principales questions liées à ce thème. Si vous envisagez l’achat d’un appareil ou si vous souhaitez des conseils concernant une application, contactez-nous en retournant le questionnaire situé en annexe. 1. Pourquoi utiliser les thermomètres infrarouges ? La température est, après la notion de temps, la deuxième variable physique la plus fréquemment mesurée. La connaissance de la température des produits est très importante, tant au niveau de la fabrication que pour le contrôle qualité et la maintenance. Une surveillance précise de la température permet d’augmenter la qualité du produit et la productivité. Les temps d’arrêt sont réduits puisque les processus de fabrication se déroulent toujours dans des conditions optimales. Il est intéressant de constater que la technologie infrarouge n’est pas une nouvelle invention – elle est employée avec succès depuis des décennies dans l’industrie et la recherche – mais les innovations récentes ont permis de réduire les coûts, d’augmenter la fiabilité et de miniaturiser les capteurs. Grâce à ces facteurs, la technologie infrarouge est devenue intéressante pour de nouveaux groupes d’utilisateurs et de nouvelles applications. Quels avantages présente la mesure de température sans contact ? 1. Mesure instantanée (en millisecondes) pour des procédés rapides. Ex : régulation de la température d’un produit sur un chauffage par induction 2. Mesures de cibles en mouvement. Ex : mesure de cibles situées sur une bande transporteuse 3. Mesure de cibles difficilement accessibles ou situées dans des endroits dangereux. Ex : pièces sous haute tension, cibles éloignées ou située derrière un hublot 4. Mesure de températures supérieures à 1300 °C. Pas de vieillissement ni de corrosion alors que les thermomètres de contact ne résistent qu’un certain temps à de telles températures. Ex : chambre de combustion 5 5. Mesure sur les matériaux à mauvaise conductibilité thermique comme le plastique et le bois. La mesure de température par infrarouge présente deux principaux avantages par rapport aux thermomètres de contact : d’une part, on obtient des mesures plus précises (d’autant plus que l’émissivité est connue et élevée) et d’autre part, les valeurs mesurées ne dérivent pas. 6. Mesure hygiénique et sans action mécanique sur la surface à mesurer. Donc inusable : les surfaces peintes ne risquent pas d’être abîmées et il est possible de mesurer les surfaces souples. Ex : en alimentaire, la mesure est non-destructive. Après avoir cité les avantages, il est important d’attirer l’attention sur les conditions à respecter lors de l’utilisation de thermomètres infrarouges : 1. L’objet à mesurer doit être optiquement visible pour le thermomètre infrarouge. Les poussières, les fumées denses, les obstacles altèrent la mesure. Ex : un récipient métallique clos rend les mesures impossibles. 2. L’optique de la tête de mesure doit être maintenue propre. Les fabricants proposent des accessoires spéciaux adaptés aux différentes applications. 3. En règle générale, on ne peut mesurer que les températures de surface, mais il est important de tenir compte des différentes caractéristiques de réflexion et de transmission des matériaux. 4. Respecter la température ambiante d’utilisation du capteur. Résumé : les principaux avantages sont le temps de réponse, la mesure sur pièces en mouvement, pas d’usure et la possibilité de mesurer de – 50°C à + 3000°C. 2. Le système de mesure par infrarouge Un thermomètre infrarouge est comparable à l’œil humain. La pupille de l’œil correspond à l’optique qui focalise les radiations (le flux photonique) de l’objet à mesurer vers le détecteur (la rétine). Ce dernier transforme l’information reçue en un signal qu’il transmet vers l’affichage (le cerveau). La figure 1 montre un système de mesure par infrarouge. 6 Optique ou fenêtre 453¼ C SP1 470¼ C EMS Cible Atmosphère Détecteur .85 Affichage et interfaces Fig. 1 : système de mesure par infrarouge 2.1. La cible Tout corps ayant une température (T) supérieure au zéro absolu (-273°C ou 0°K) émet, selon sa température, une énergie infrarouge spécifique. Cette énergie est due au mouvement mécanique au sein des molécules. L’intensité de ce mouvement dépend de la température du corps. Les mouvements des molécules étant synonymes de mouvements de charge, ils génèrent des radiations électromagnétiques (particules photoniques). Ces photons se déplacent à la vitesse de la lumière et obéissent aux lois optiques habituellement établies et connues. On peut les diriger, les focaliser à l’aide de lentilles ou les réfléchir à l’aide d’un miroir. Pour les moyennes et basses températures, le spectre de cette radiation se situe sur une longueur d’onde comprise entre 0,7 et 1000 µm ; il n’est donc normalement pas visible pour l’œil humain. Ce spectre se situe au-dessous de la zone rouge de la lumière visible, d’où sa désignation latine « infra »-rouge (cf. fig. 2). Lumière Rayons gamma 0.1A 1A 1UA 100A 0.1µ Radio SHF UHF VHF UKW KW MW LW ULW Infrarouge Ultraviolet Rayons X 1µ 10µ 100µ 0.1cm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10km 100km Longueur d’onde 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 6 8 10 15 20 30 Longueur d’onde en µm Zone infrarouge utilisée Fig. 2 : le spectre électromagnétique. Son étendue, située entre 0,7 et 14 µm, est intéressante pour la mesure. 7 La figure 3 montre les radiations caractéristiques d’un corps à différentes températures. On constate que les corps chauds dégagent une énergie partiellement visible. C’est pour cette raison que chaque être humain peut voir les objets très chauds (supérieurs à 600 °C) chauffés à rouge ou à blanc. Certains métallurgistes expérimentés peuvent même évaluer la température de l’acier avec précision d’après la teinte qu’il adopte. Le pyromètre à filament incandescent classique fut employé dans l’industrie du fer et de l’acier dès 1930. La partie invisible du spectre contient cependant jusqu’à 100.000 fois plus d’énergie. Ce sont précisément ces radiations que la technique infrarouge utilise. Par ailleurs, la figure 3 montre deux choses : d’une part, qu’au fur et à mesure que la température de la cible augmente, l’énergie maximum se déplace vers des longueurs d’onde de plus en plus courtes et d’autre part, que les courbes d’un corps à différentes températures ne se croisent pas. Dans la totalité du domaine spectral (zone au-dessous de chaque courbe), les radiations augmentent à la puissance 4 de la température. Ces relations ont été constatées par STEFAN et BOLTZMANN en 1879 et permettent de déterminer exactement la température en se basant sur le signal émis par les radiations, cf. /1/, /3/, /4/ et /5/. Fig. 3 : énergie caractéristique d’un corps noir en fonction de la température cf. /3/ Lorsque l’on regarde la figure 3, on constate que le thermomètre infrarouge devrait être réglé sur une bande spectrale aussi large que possible afin de capter le maximum d’énergie (correspondante à la zone au-dessous de la courbe) ou un signal aussi intense que possible émis par la cible. Cependant, cette manière de procéder ne présente pas toujours que des avantages. D’après la figure 3, on remarque par exemple que, lorsque la température augmente, l’intensité de l’énergie à 2 µm augmente plus fortement qu’à 10 µm. Plus la différence de l’intensité de l’énergie par rapport aux différences de température est grande, 8 plus la mesure obtenue par un thermomètre infrarouge sera précise. Lorsque la température augmente, l’énergie maximum se déplace vers de plus petites longueurs d’onde (loi du déplacement de WIEN) ; le domaine spectral dépend alors de l’étendue de température mesurée par le pyromètre. En présence de basses températures, un thermomètre infrarouge fonctionnant à 2 µm se comporterait comme l’œil humain à des températures inférieures à 600 °C : il ne voit pratiquement plus rien puisque l’énergie émise est insuffisante. Par ailleurs, l’utilisation d’appareils pour plusieurs domaines spectraux s’avère nécessaire en raison des caractéristiques des radiations spécifiques à certains matériaux comme les corps non gris (verres, métaux et films plastiques). La figure 3 montre le cas idéal du corps noir (en anglais : Black Body). Mais de nombreux corps émettent, à température identique, moins d’énergie que le corps noir. Le rapport entre la valeur réelle des radiations et celle du corps noir est appelée émissivité ε (Epsilon). Il peut s’élever à 1 au maximum (le corps noir idéal) et à 0 au minimum (le miroir parfait). Les corps dont l’émissivité est inférieure à 1 sont appelés corps gris lorsque l’émissivité est constante pour les différentes longueurs d’onde. Les corps dont l’émissivité varie en fonction de la longueur d’onde sont appelés corps non gris. Selon la loi de KIRCHHOFF, on part du principe que l’énergie absorbée (A) par un corps et ayant provoqué l’augmentation de sa température est aussi émise (E) par ce corps : Définition : Absorption Définition : Emission Énergie Donnée (1) Absorption (A) (Le corps se réchauffe) (E) (A) A ⇔ E Énergie émise (E) (Le corps se refroidit) Réflexion (R) Transmission (T) Transmission (T) Réflexion (R) Fig. 4 Or A + R + T = 1 avec A ⇔ E Donc E + R + T = 1 soit : E = 1 – R – T Fig. 4 - Remarque : le capteur, outre les radiations émises par la cible, peut capter dans certains cas une énergie parasite réfléchie ou/et transmise par l’objet. 9 Si la transmission est nulle, alors E = 1 – R – 0 soit E = 1 – R EX : le bois, le graphite ont tous deux T = 0 et une Réflexion de 4 à 6 % Ainsi E = 1 – 0,04 – 0 = 0,96 pour le bois et E = 0,94 pour le graphite. Pour le corps noir, la réflexion et la transmission sont égales à 0, soit E = 1 pour le corps noir. De nombreux matériaux non ferreux comme le bois, le plastique, le caoutchouc, les matières organiques, la pierre ou le béton ont des surfaces peu réfléchissantes, donc une émissivité élevée située entre 0,8 et 0,95. Par contre, les métaux, et essentiellement les métaux aux surfaces polies ou brillantes, ont une émissivité située aux environs de 0,25. Il est possible de tenir compte de ces caractéristiques en réglant l’émissivité des thermomètres infrarouges, cf. également figure 5. Fig. 5 : radiation spécifique à différentes émissivités 2.1.1. Réglage de l’émissivité Il existe différentes méthodes pour déterminer l’émissivité d’un objet. Vous pouvez tout d’abord vous servir d’un tableau indiquant l’émissivité de matériaux fréquemment utilisés. Les tableaux d’émissivité vous aident à définir le domaine spectral approprié au matériau utilisé et ainsi à trouver l’appareil de mesure convenant à l’application souhaitée. Les valeurs des tableaux sont uniquement destinées à avoir une idée générale pour les métaux puisque l’état de leur surface (p. ex. poli, oxydé ou calaminé) influe sur l’émissivité. Plusieurs méthodes permettent de déterminer soi-même l’émissivité d’un matériau. Pour ce faire, utilisez un pyromètre à émissivité réglable. 10 1. Chauffez un échantillon du matériau à une température connue que vous pouvez déterminer précisément en vous servant d’un thermomètre de contact (p. ex. un thermocouple). Mesurez ensuite la température de l’objet avec un thermomètre infrarouge. Corrigez le réglage de l’émissivité jusqu’à ce que la température corresponde à celle du thermomètre de contact. Utilisez cette émissivité pour mesurer la température d’objets composés du même matériau. 2. Pour mesurer des températures relativement basses (jusqu’à 260 °C), collez sur la cible un autocollant spécial en plastique ayant une émissivité connue puis déterminez la température de l’autocollant grâce à un thermomètre infrarouge et à l’émissivité correspondante. Mesurez ensuite la température de la surface de la cible sans autocollant et réglez l’émissivité jusqu’affichage d’une température identique. Utilisez cette émissivité pour mesurer la température d’objets composés du même matériau. 3. Vous pouvez créer un corps noir en vous servant d’un échantillon du matériau à mesurer. Percez un trou dans l’objet à mesurer. La profondeur du trou doit au moins s’élever au quintuple de son diamètre. Le diamètre doit correspondre à la taille du spot de votre appareil de mesure. Si l’émissivité des parois intérieures est supérieure à 0,5, l’émissivité du corps creux correspond approximativement à 1 et la température mesurée dans le trou est égale à la température correcte de la cible /4/. Dirigez ensuite le thermomètre infrarouge sur la surface de l’objet et modifiez l’émissivité jusqu’à ce que la température affichée corresponde à la valeur préalablement déterminée avec le « corps noir ». Utilisez cette émissivité pour mesurer la température d’objets composés du même matériau. 4. Si la cible peut supporter un revêtement, appliquez une peinture noire mate (« 3-M Black » de la société Minnesota Mining Company ou « Senotherm » de la société Weilburger Lackfabrik /2/) dont l’émissivité est de 0,95 à peu près. Mesurez la température de ce point connu puis déplacez le point de mesure sur une partie de la pièce et réglez l’émissivité comme décrit ci-avant. 11 2.1.2. Mesure des métaux L’émissivité des métaux dépend de la longueur d’onde et de la température. Par ailleurs, elle augmente quand la longueur d’onde diminue. Comme les métaux réfléchissent souvent les radiations, ils ont généralement une émissivité faible, ce qui peut donner des mesures divergentes et peu fiables. Il est important, dans un tel cas, de choisir un instrument capable de mesurer le rayonnement infrarouge à une certaine longueur d’onde et dans une étendue de température où les métaux ont une émissivité aussi élevée que possible. D’une manière générale, les erreurs de mesure augmentent avec la longueur d’onde. Il faut donc choisir la longueur d’onde la plus courte possible pour la mesure, cf. figure 6. % Erreur de mesure 10 8-14 µm 8 5.0 µm 6 3.9 µm 4 2.2 µm 2 1.0 µm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Température de la cible (°C) Fig. 6 : erreur de mesure pour une variation de 10 % d’émissivité en fonction de la longueur d’onde et de la température de l’objet à mesurer. La longueur d’onde optimale pour mesurer les températures élevées des métaux se situe à peu près entre 0,8 et 1,0 µm, c-à-d à la limite de la zone visible. Des longueurs d’onde de 1,6, 2,2 et 3,9 µm sont également possibles. Dans certains cas particuliers (p. ex. pendant les processus de chauffe) exigeant une mesure sur une vaste étendue de température et où l’émissivité varie en fonction de la température, l’emploi de pyromètres bichromatiques peut donner de bons résultats (cf. chapitre 3). 12 2.1.3. Mesure des plastiques La transmission des films plastiques varie selon la longueur d’onde et est proportionnelle à leur épaisseur. Les matériaux fins transmettent mieux les radiations que les plastiques épais. Pour mesurer de façon optimale la température, il est important de choisir une longueur d’onde où la transmission s’approche le plus possible de zéro. Certains plastiques ne transmettent pas de radiations à 3,43 µm (polyéthylène, polypropylène, Nylon et polystyrène) et d’autres non plus à 7,9 µm (polyester, polyuréthanne, Téflon, FEP et polyamide). Il est recommandé de choisir une longueur d’onde comprise entre 8 et 14 µm pour les films plus épais (> 0,4 mm) et fortement pigmentés. En cas de doute, vous pouvez envoyer un échantillon du plastique au fabricant de l’appareil infrarouge afin de déterminer la largeur de la bande spectrale optimale pour votre mesure. Presque tous les films plastiques ont un Transmission % degré de réflexion compris entre 4 et 10 %. Polyéthyléne 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.03 mm d’épaisseur 0.13 mm d’épaisseur 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 13 14 Transmission % Longueur d'onde en µm 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Polyester 0.03 mm d’épaisseur 0.25 mm d’épaisseur 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Longueur d'onde en µm Fig. 7 : la transmission spectrale des films plastiques varie indépendamment de l’épaisseur. Le polyéthylène ne transmet pratiquement pas de radiations à 3,43 µm. Le polyester, lui, ne transmet pas à 7,9 µm. 13 2.1.4. Mesure des verres Pour mesurer la température des verres avec un thermomètre infrarouge, il faut tenir compte de la réflexion et de la transmission. En sélectionnant minutieusement la longueur d’onde, il est possible de mesurer la température à la surface du verre et en profondeur. Pour mesurer la température en-dessous de la surface, il est nécessaire d’utiliser un capteur pour des longueurs d’onde de 1,0, 2,2 ou 3,9 µm. Pour mesurer les températures de surface, il est recommandé d’employer un capteur de 5 µm. Pour mesurer les basses températures, il est conseillé d’utiliser une réponse spectrale comprise entre 8 et 14 µm puis de régler l’émissivité sur 0,85 afin de compenser la réflexion. Le verre étant un mauvais conducteur thermique, sa température de surface peut changer rapidement. Il est alors fortement recommandé d’utiliser un instrument de mesure ayant un temps de réponse court. Fig. 8 : transmissivité spectrale du verre selon /3/ Résumé : chaque corps émet des radiations infrarouges visibles à l’œil humain pour des températures supérieures à 600 °C (p. ex. du fer porté à rouge). Le domaine spectral de l’infrarouge s’étend de 0,7 µm à 1000 µm. Les corps noirs absorbent et émettent 100 % de l’énergie correspondant à leur propre température. Les radiations de tous les autres corps sont comparées avec celles du corps noir. Ce rapport est appelé émissivité pour une longueur d’onde donnée. 2.2. Environnement Régler un thermomètre infrarouge pour un certain domaine spectral (pyromètre à bande spectrale) s’avère en outre nécessaire en raison de la transmissivité spécifique du parcourt effectué par les radiations, c-à-d. de l’atmosphère en règle générale. Certains composants de l’atmosphère, comme la vapeur d’eau et le gaz carbonique, absorbent les radiations infrarouges à une certaine longueur d’onde et provoquent des pertes de transmission. Si l’on 14 ne tient pas compte de ces fluides d’absorption, la température affichée peut être inférieure à la température réelle de l’objet. Cependant, le spectre infrarouge dispose de « fenêtres » ne comprenant pas ces bandes d’absorption. La figure 8 représente la courbe de transmission d’un parcourt aérien long d’un mètre. Les fenêtres typiques sont : 1,1 ... 1,7 µm, 2 ... 2,5 µm, 3 ... 5 µm et 8 ... 14 µm. De nos jours, les fabricants ont équipé pratiquement tous leurs appareils de mesure par infrarouge de filtres de corrections atmosphériques, l’usager ne doit donc plus craindre les éventuelles pertes dues à la transmission. Fig. 9 : transmission d’un parcourt aérien long d’un mètre pour une température de 32 °C et une humidité relative de l’air de 75 %, cf. /3/. Il est également important de tenir compte des sources de rayonnement thermique situées à proximité de la cible. Par exemple, la température mesurée sur des pièces métalliques dans un four industriel peut être faussée par les températures élevées des parois. De nombreux appareils infrarouges compensent cet effet de la température ambiante sur le résultat de la mesure. Dans le cas contraire, la température affichée serait trop élevée. Une émissivité correctement réglée, en plus d’une compensation automatique de la température ambiante à l’aide d’une deuxième tête de mesure garantissent des résultats très précis. Radiations environnantes Cible Fig. 10 : la compensation des radiations environnantes est importante pour les cibles qui sont plus froides que leur environnement. 15 Les poussières, la fumée et les particules en suspension dans l’atmosphère peuvent encrasser l’optique et ainsi fausser les mesures. Pour éviter ces dépôts, les fabricants proposent en option des colliers de soufflage d’air. Il s’agit en général d’un boîtier à visser équipé d’un raccordement à air comprimé. L’air génère une surpression devant l’optique et évite ainsi les dépôts. Si la mesure risque d’être faussée par des poussières et des fumées denses, il est recommandé d’utiliser des pyromètres bichromatiques, cf. chapitre 3. Les capteurs infrarouges sont des appareils électroniques spécialement conçus pour mesurer dans des températures ambiantes bien déterminées. La température d’exploitation maximale admissible pour certaines sondes s’élève à 85 °C. Si l’appareil se trouve dans un environnement plus chaud, il est alors nécessaire d’utiliser des accessoires de refroidissement par air et / ou par eau et des câbles de raccordement spéciaux pour températures ambiantes élevées. Si l’on utilise un refroidissement par eau, il est recommandé d’associer ce dernier à un collier de soufflage d’air de façon à éviter la condensation sur l’optique. Résumé : Perturbation ! Rayonnement environnant plus chaud que l’objet. Solution ! Capteur avec compensation. ! Surface à mesurer à l’ombre du rayonnement. ! Poussières, fumées, particules dans l’atmosphère. ! Température ambiante élevée. ! Collier de soufflage d’air. ! Pyromètre bichromatique. ! ! ! ! Montage à isolement thermique. Refroidissement par air et/ou eau. Collier de soufflage d’air. Bouclier thermique. 2.3. Optique et fenêtres Le système optique d’un pyromètre capte les radiations infrarouges émises et focalise cette énergie sur un détecteur. Pour cela, le spot doit intégralement couvrir la cible. Sinon, le thermomètre infrarouge « capte » également les radiations thermiques de l’arrière-plan ce qui risque de fausser la mesure, figure 11. 16 Très bon bon rés. faussés Capteur Cible plus grande que le spot Cible plus petite que le spot Cible et spot de taille identique Fig. 11 : le spot doit couvrir intégralement la cible afin de ne pas fausser les mesures (sauf pour les pyromètres bichromatiques, chapitre 3) La résolution optique est caractérisée par le rapport entre la distance appareil de mesure cible, et le diamètre du spot (D : S). Plus cette valeur augmente, plus la résolution optique de l’appareil de mesure est meilleure et plus la taille de la cible peut diminuer à une certaine distance, figure 12. Diamètre du spot 2.5 Meßfleckdurchmesser Distance 0 Entfernung 7.5 14 21 33 mm 25 50 76 130 mm Fig. 12 : diagramme optique d’un capteur infrarouge. Le spot est de 33 mm de diamètre à une distance de 130 mm ce qui équivaut à un rapport approximatif de 4 à 1. L’optique en soi peut être une optique à miroirs ou une optique à lentille. Selon leur composant, les lentilles sont utilisées pour certaines longueurs d’onde, mais elles demeurent la solution la plus avantageuse en matière de construction. La figure 13 montre certains matériaux qui composent les lentilles et les fenêtres de thermomètres infrarouges ainsi que leurs longueurs d’onde. 17 Fig. 13 : transmission de matériaux infrarouges classiques (épaisseur de 1 mm) 1- Verre optique 2- Fluorine (CaF) 3- Séléniure de zinc (ZnSe) 4- KRS5 5- Verre de quartz 6- Germanium 7- Silicium 8- Fluorure de lithium 9- Verre chalcogène IG2 Pour mesurer la température dans des espaces clos, des fours ou des chambres sous vide, il est généralement nécessaire d’utiliser des hublots appropriés. Il faut veiller, lors de la sélection d’un hublot, à ce que sa transmission corresponde à la réponse spectrale du capteur. Ainsi, on se sert habituellement de verre quartz pour mesurer les températures élevées. Pour mesurer les températures basses dans la bande de 8 à 14 µm, il faut avoir recourt à un matériau transmettant les radiations infrarouges tel le germanium, l’AMTIR ou le séléniure de zinc. En plus de la réponse spectrale, le choix de la fenêtre appropriée doit également prendre d’autres paramètres en considération : le diamètre, les sollicitations thermiques, la différence maximale de pression, les conditions d’exploitation et la possibilité d’assurer la propreté aux deux extrémités. Il peut être également important de disposer de transparence dans la zone visible afin de mieux orienter l’appareil sur la cible (par ex. en cas de mesure d’un récipient sous vide). Le tableau 1 montre un aperçu des différents matériaux utilisés pour les hublots. Tableau 1 Matériau du hublot / propriétés Saphir Al2O3 Verre de quartz SiO2 CaF2 BaF2 AMTIR ZnS ZnSe KRS5 Domaine spectral IR recommandé en µm 1...4 1...2,5 2...8 2...8 3...14 2...14 2...14 1...14 Température maxi du hublot en °C 1800 900 600 500 300 250 250 inconnue Transmission dans la zone visible oui oui oui oui non oui oui oui Résistance à l’humidité, aux acides, aux combinaisons ammoniacales très bonne très bonne faible faible bonne bonne bonne bonne Approprié à UHV oui oui oui oui inconnu oui oui oui 18 La transmission du hublot dépend essentiellement de son épaisseur. Une épaisseur de 1,7 mm est donc suffisante pour un hublot d’un diamètre de 25 mm devant résister à une différence de pression de l’atmosphère. Les hublots enduits de couches anti-reflets ont une transmission nettement plus élevée (jusqu’à 95 %). Si le fabricant indique la transmission pour le domaine spectral correspondant, il est possible de corriger la perte due à la transmission en réglant l’émissivité. Par exemple, pour un hublot en AMTIR ayant une transmissivité de 68 % afin de mesurer une cible ayant une émissivité de 0,9. On multiplie 0,9 par 0,68 et on obtient 0,61. Régler cette valeur d’émissivité sur le pyromètre. En règle générale, les pyromètres peuvent être positionnés précisément à l’aide de visée réflex ou d’une visée laser incorporée. Le rayon laser permet à l’utilisateur d’orienter le spot avec plus de rapidité et de précision ce qui facilite sensiblement l’emploi d’un appareil de mesure infrarouge. L’éclairage du spot à l’aide d’un laser est particulièrement recommandé pour mesurer les cibles en mouvement et en présence de conditions d’éclairage défavorables. Il faut différencier entre différentes sortes de visée laser : 1. Laser non coaxial. C’est le modèle le plus simple. Il convient surtout pour les appareils à petite résolution optique (pour grandes cibles). Le laser indique approximativement le milieu de la cible (sauf quand elle est proche). 2. Laser coaxial. Le laser provient du centre de l’optique et suit l’axe optique. Cela permet d’indiquer précisément et à toute distance le centre de la cible. 3. Laser double Le laser double équipé de deux visées indique le diamètre de la cible placée à grande distance. L’utilisateur n’a donc plus besoin de calculer ou d’imaginer le diamètre de la cible. Les erreurs de mesure sont ainsi évitées. 4. Visée laser circulaire non parallèle à l’axe optique C’est la solution la plus simple pour indiquer, en plus de la position de la cible, sa taille et sa forme. A partir d’une distance minimum, la cible se trouve entièrement couverte par la visée 19 circulaire. Pour réduire les erreurs de parallaxe, le fabricant fait en sorte que le spot de la visée circulaire soit plus large que la cible réelle. Il est donc indispensable que le laser circulaire recouvre totalement la cible pour obtenir une mesure correcte. L’utilisateur n’est alors pas en mesure d’utiliser au maximum la résolution géométrique réelle indiquée pour l’appareil : cf. la surface rouge avec la visée laser circulaire (ligne en pointillés) figure 14. Figure 14 : lorsqu’elle ne suit pas l’axe optique, la visée laser circulaire indique un spot plus grand que la cible. A partir d’une certaine distance, la cible est recouverte par le spot. 5. Visée laser de précision True Dimension True Dimension™ est un système de visée laser qui permet de délimiter précisément la cible, quels que soient la distance et l’angle de mesure. Le repère laser du milieu désigne le centre du spot, les 2 repères laser extérieurs en délimitent le diamètre. Les 3 repères laser sont à la verticale au point de focalisation (diamètre minimal du spot), cf. figure 15. 20 Figure 15 : la visée laser de précision permet d’éviter les erreurs de mesure et l’utilisateur peut bénéficier au maximum des avantages de l’optique infrarouge. L’éclairage du spot à l’aide d’un laser est une aide visuelle efficace pour orienter précisément l’appareil infrarouge sur le spot. Pour mesurer des objets très clairs (hautes températures) ou situés dans une lumière naturelle très claire, il est préférable d’utiliser une lunette de visée à laser de façon à mieux définir le spot capté par l’optique. Figure 16 : appareils à visée laser permettant une mesure précise même sur de petits spots. Résumé : comme pour un appareil photo, les performances de l’optique (p. ex. d’un téléobjectif) doivent être choisies en fonction de la taille des cibles de façon à garantir une mesure précise. Le rapport de distance (distance de mesure : diamètre du spot) caractérise la précision de l’optique d’un appareil de mesure par infrarouge. Le spot projeté doit couvrir intégralement la cible pour obtenir une mesure précise. Les optiques sont parfois équipées de tube de visée, de visée laser ou de visée destinés à faciliter l’orientation de l’appareil. Si l’installation d’une fenêtre de protection supplémentaire entre l’appareil de mesure et la cible s’avère nécessaire, il est impératif de choisir le matériau de la fenêtre le mieux approprié. Dans ce cadre-là, le domaine spectral et les conditions d’utilisation jouent un rôle déterminant. 21 2.4. Détecteurs Le détecteur est la pièce maîtresse de tout thermomètre infrarouge. Il transforme l’énergie infrarouge captée en signaux électriques qui sont alors affichés en terme de température par une électronique d’interprétation. Les techniques récentes utilisées par les processeurs ont augmenté la stabilité, la fiabilité, la résolution et la vitesse de réponse des thermomètres infrarouges tout en baissant leurs coûts. On connaît deux principales catégories de détecteurs par infrarouge : les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques. Les détecteurs quantiques (photodiodes) entrent directement en interaction avec les photons captés créant ainsi des paires d’électrodes, puis un signal de courant électrique. Les détecteurs thermiques modifient leur température selon le rayonnement incident. La modification de la température génère une tension similaire à celle d’un thermocouple. L’échauffement propre aux détecteurs thermiques fait qu’ils sont beaucoup plus lents que les détecteurs quantiques. La signification de l’expression « beaucoup plus lents » veut dire que les détecteurs thermiques exigent un temps de réponse exprimé en « ms » en comparaison aux « ns » ou aux « µs » pour les détecteurs quantiques. Les détecteurs de quanta s’emploient essentiellement dans les systèmes d’imagerie et de scrutation en ligne. 2.5. Affichage et interfaces Les interfaces disponibles et la nature de l’affichage des valeurs mesurées sont des éléments importants pour l’utilisateur. La combinaison d’affichages et de panneaux de commande, disponible notamment sur les appareils portables peut être considérée comme une sortie primaire de l’appareil de mesure. Les sorties analogiques ou numériques permettent d’utiliser des affichages supplémentaires dans le poste de contrôle ou d’opérer des réglages. Le raccordement direct d’électroniques d’interprétation, d’imprimantes et d’ordinateurs est également possible. Fig. 17 : les informations du thermomètre infrarouge se raccordent directement à une électronique d’interprétation ou à une imprimante. Le logiciel pour PC permet d’élaborer des graphiques et des adaptés aux besoins du client. 22 tableaux Les systèmes de communication jouent un rôle de plus en plus important et permettent aux utilisateurs d’être plus flexibles. L’utilisateur est par exemple en mesure de régler les capteurs par l’intermédiaire du poste de contrôle sans être obligé d’interrompre la production. Il est également possible de modifier les paramètres quand la même ligne de production est utilisée pour différents produits. Sans le réglage à distance, toute modification des paramètres du capteur, par exemple de l’émissivité, de la zone de mesure ou des valeurs seuils, devrait se faire manuellement sur le capteur-même. Les capteurs étant fréquemment montés en des endroits difficilement accessibles, le capteur intelligent permet de diriger et de contrôler en permanence la production sans main-d’œuvre supplémentaire. En cas de problèmes (température ambiante trop élevée, rupture de câble, panne de composants), le capteur intelligent déclenche immédiatement une signalisation d’erreur. Sorties et interfaces Sorties analogiques linéaires/non linéaires Sorties numériques uni/bidirectionnelles 2 conducteurs 4 conducteurs sérielles parallèles 4-20mA Boucle de courant Boucle de courant 0-20/4-20mA 0-5/0-10V Thermocouple RS232/RS422 RS485 Bus de terrain (HART,CAN,Profibus...) Centronics Fig. 18 : exemples d’interfaces actuellement disponibles pour les appareils de mesure par infrarouge (sauf Centronics). Grâce à l’adressage, il est possible d’exploiter plusieurs pyromètres (en règle générale jusqu’à 32 appareils) en réseau (service multipoints) et ainsi de réduire les dépenses pour l’installation. En raison de la grande diversité des protocoles et des réseaux de terrain disponibles, le marché propose actuellement différents interprètes (Gateway) destinés à adapter (traduire) les commandes spécifiques à l’appareil dans le terrain respectif (par exemple le bus de terrain PA). L’interface RS485 est la plate-forme matérielle la plus répandue dans ce domaine. Les pyromètres équipés d’une interface numérique présentent un avantage supplémentaire : ils peuvent être calibrés de façon autonome grâce à un progiciel d’étalonnage disponible auprès du fabricant de l’appareil. 23 3. Pyromètres spéciaux 3.1. Pyromètres à fibre optique Dans certains cas particuliers soumis à de fortes interférences électriques et / ou magnétiques, l’emploi de pyromètres à fibre optique est indispensable. Les pyromètres à fibre optique permettent de placer l’électronique d’interprétation très sensible en dehors de la zone dangereuse. C’est notamment le cas pour des applications spécifiques telles que le chauffage et la soudure par induction. La fibre optique ne comprenant pas d’électronique, elle peut être utilisée à une température ambiante bien plus élevée sans refroidissement. Une température de 200 °C est normale et la température maximale s’élève à 300 °C. Les frais d’installation et d’exploitation continue par poste de mesure sont très bas puisque le refroidissement par eau n’est pas nécessaire. Sur les appareils modernes, il est possible de changer la fibre optique et les optiques sans refaire un nouvel étalonnage : il suffit d’entrer un numéro d’étalonnage composé de plusieurs chiffres. Les pyromètres à fibre optique sont utilisés pour une longueur d’onde de 1 µm et 1,6 µm. Il est donc possible de mesurer des cibles à partir de 250 °C. Fig. 19 : pyromètre à fibre optique moderne à technologie numérique 24 3.2. Pyromètres bichromatiques Ce sont des pyromètres spéciaux (également appelés 2-couleurs ou de quotients) ayant deux canaux de mesure optiques et électriques de construction identique. Il est recommandé de prendre deux domaines spectraux aussi proches que possible l’un de l’autre et sur une bande très étroite afin que les effets des particularités des matériaux (réflexion, émission) de la cible soient identiques pour les deux longueurs d’onde (corps gris). En calculant des quotients mathématiques, il est possible d’éliminer certaines influences sur la mesure. Les réalisations techniques suivantes ont fait leurs preuves : 1. La répartition des radiations à l’aide de deux filtres qui sont en rotation à l’avant du détecteur de rayonnement (roue à filtres). La mesure dans les deux canaux se fait l’une après l’autre, ce qui risque de provoquer des erreurs lors du calcul des quotients pour des cibles se déplaçant rapidement (le canal 1 capte un autre point de la cible que le canal 2). 2. La répartition des radiations à l’aide de répartiteurs de radiations et de deux détecteurs pourvus de filtres. 3. Un double détecteur (structure sandwich) pourvu d’un filtre capte les radiations sans répartiteur du rayonnement. Dans ce cas, le détecteur placé fait fonction de filtre pour le deuxième détecteur placé derrière. (Technique à nos jours la plus précise). Pourquoi bi-chromatique? # Les obstructions de champ optique sont causes d’erreurs en mode mono-chromatique # Par le calcul du rapport des ènergies reçues sur 2 λ, ces erreurs sont annulées. Le rapport est proportionnel à la température de la cible. # Peut permettre de s’affranchir des variations d’émissivité de certains alliages ou de certaines surfaces Si les émissivités des deux canaux sont identiques, le rapport reste constant. 25 Ainsi, la mesure ne dépend pas de la taille de la cible. Par équivalence, les radiations de la cible captée par le pyromètre se trouvent réduites non seulement par une surface à mesurer plus petite, mais également par un laps de temps plus court pendant lequel le pyromètre « voit l’objet à mesurer ». Ceci permet également de mesurer les objets présents dans le champ de visée du pyromètre pendant une durée plus courte que le temps de réponse de l’appareil. De la même manière, les caractéristiques de transmission se modifiant sur la distance à mesurer sont éliminées. Grâce à cela, ces appareils peuvent être utilisés en présence de poussières, de fumées ou de tout autre effet susceptible de diminuer les radiations de la cible. Les pyromètres modernes de ce type appliquent cet effet (facteur d’atténuation ou de blocage) à leur propre optique et déclenchent un signal d’alarme en présence d’un degré de salissures préalablement déterminé (p. ex. en cas de panne de l’air de lavage du collier dans le soufflage d’air). 26 Dans le cas d’applications où une certaine densité des particules autour de la cible est techniquement inévitable, un pyromètre bichromatique à facteur d’atténuation est en mesure de fournir des informations supplémentaires. La figure 20 montre les informations fournies par un pyromètre bichromatique équipé d’un logiciel sur PC. En plus de la température calculée par la formation de quotients, l’écran indique les températures mesurées pour chacun des deux canaux. Ainsi, la comparaison des deux valeurs permet aussi de calculer et d’afficher l’atténuation en pour cent. Figure 20 : les données mesurées par un pyromètre bichromatique traitées par progiciel et affichées sur un PC. Ce peut être la température de la cible dans le canal 1 (WBT), la température de la cible dans le canal 2 (NBT) et la température de la cible calculée à l’aide du quotient (2CT). L’écran affiche simultanément l’atténuation en % (ATN) et d’autres informations. Résumé Les pyromètres bichromatiques peuvent mesurer la température : 1. si la cible est plus petite que le spot et / ou si la taille de la cible varie continuellement (arrière-plan plus froid que la cible) 2. si la cible traverse le spot pendant le temps de réponse 3. si la vue sur la cible est entravée (poussières ou autres particules, vapeur d’eau ou fumée) 4. si l’émissivité est soumise à des modifications pendant la mesure Le facteur d’atténuation fournit des informations technologiques supplémentaires relatives au processus et / ou il peut aussi déclencher une alarme en cas d’encrassement important de l’optique ou de la fenêtre. 27 Tableau 2 Les matériaux suivants se comportent comme des corps gris si leur surface est oxydée à l’air. Leur mesure est possible à l’aide d’une pente (rapport d’émissivité) de 1,00 : Fer Acier Cobalt Acier allié ou spécial Nickel Tableau 3 Les matériaux suivants se comportent comme des corps colorés ou non gris si leur surface est lisse, polie et non oxydée. On les mesure avec un rapport d’émissivité de 1,06. Fer Acier Fonte de moulage Acier allié ou spécial Cobalt Tantale Nickel Rhodium Tungstène Platine Molybdène Accessoires Pour les sondes requérant une protection contre des environnements difficiles # # # # # Enveloppe protectrice Refroidissement par et par eau Soufflage d’air Tubes de visée et hublots Câbles hautes températures 28 4. Indice bibliographique /1/ WALTHER, Herrmann : Wissensspeicher Infrarotmesstechnik, 1990, Fachbuchverlag LEIPZIG /2/ STAHL, Miosga : Grundlagen Infrarottechnik, 1980, Dr. Alfred Hütthig Verlag HEIDELBERG /3/ Directives des associations allemandes VDI/VDE, Technische Temperaturmessungen – Strahlungsthermometrie (Techniques de mesure de la température – thermométrie par détection de radiations), janvier 1995, VDI 3511 feuille 4 /4/ DE WITT, Nutter : Theory and Practice of Radiation Thermometry, 1988, John Wiley&Son, NEW YORK, ISBN 0-471-61018-6 /5/ WOLFE, Zissis : The Infrared Handbook, 1978, Office of Naval Research, Department of the Navy, WASHINGTON DC. 29 DATE : SOURCE : NOM de L’INTERLOCUTEUR : Service : TEL : SOCIETE : FAX : ADRESSE : E-Mail : DEMANDE : PORTABLE : POSTE FIXE : DOMAINE D’APPLICATION : TYPE(S) DE MATERIAUX MESURES : DIMENSIONS : _________________ DISTANCE de MESURE ____________________ COMPOSITION : Epaisseur : ____________ Etat de surface ou émissivité estimée : _________ min : ________________ maxi : _________________ GAMME/ECHELLE DE T°C : ____________________ MODE de CHAUFFAGE : ____________________ T° AMBIANTE D’UTILISATION : ____________ fixe : _________________________ TEMPERATURE CRITIQUE : ____________________ TEMPS de REPONSE : _______________________ __________________________________________________________________ ENVIRONNEMENT SUR LE TRAJET OPTIQUE : POUSSIERE : COLLIER DE SOUFFLAGE D’AIR : EAU / VAPEUR : BOITIER THERMOJACKET : HUBLOT : REFROIDISSEUR AIR/EAU : SIGNAL DE SORTIE DESIRE : 0-20 ma 4-20 ma mV J-Thermocouple REMARQUES : 31 K-Thermocouple Le groupe Raytek Fort de plus de 40 ans d'expérience, Raytek conçoit, fabrique et distribue une gamme complète de systèmes infrarouges très performants pour mesurer la température sans contact dans l'industrie, le bâtiment, les garages ou chez soi. Nos thermomètres portables ou fixes mesurent la température de -50°C à 3000°C sans jamais entrer en contact avec la cible. Leur haute qualité et leur technicité font que les pyromètres Raytek répondent aux besoins les plus divers des clients les plus exigeants. Que ce soit pour surveiller et contrôler les procédés de production ou pour assurer la maintenance, nos capteurs infrarouges sont indispensables dans tous les domaines où la température joue un rôle crucial : l'industrie du verre, du plastique, du papier, du ciment, du métal, agro-alimentaire, automobile ou des machines et équipements … Siège mondial Siège européen Raytek China Company [email protected] Raytek United Kingdom [email protected] Raytek Japan, Inc. [email protected] Raytek France [email protected] Raytek Corporation Santa Cruz, CA USA Tel: 1 831 458 1110 Fax: 1 831 425 4561 [email protected] Raytek GmbH Berlin, Germany Tel: 49 30 4 78 00 80 Fax: 49 30 4 71 02 51 [email protected] Raytek do Brasil [email protected] © 2003 Raytek GmbH 55514-2 Rev.B 12/2003 Les avancées technologiques récentes faites dans le domaine de la mesure infrarouge de la température vous permettent de garantir une meilleure qualité du produit, d'éviter pertes et temps morts lors de la production et de préserver une température définie. Les systèmes de mesure novateurs Raytek se caractérisent par un excellent rapport qualitéprix et peuvent être amortis en peu de temps. Des centres de service après-vente en Californie, en Chine, en Allemagne, au Japon, au Brésil, en France et en Grande-Bretagne proposent la maintenance, l'étalonnage et la formation correspondant à vos attentes. 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