Hervé

Repérage des changements de phase par
thermographie bi-spectrale
Philippe HERVÉ
Julie CEDELLE
Laboratoire d’Énergétique et d’Économie d’Énergie,
Université Paris X Nanterre, 50 Rue de Sèvres, 92140 Ville d’Avray
Laboratoire d’Energétique et
d’Economie d’Energie
Contrôle non destructif par voie optique infrarouge : de nouvelles techniques et
de nouvelles applications. Salon MFHT-2
Mesurexpo.Paris.
Odeillo, 27-29
25-26-27
Marssept
2007
2007 <#>
Soudage TIG. Mesure du champ de températures par
photo-thermométrie impulsionnelle bi-chromatique.
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Analyse d’une scène de soudage par thermographie impulsionnelle
Analyse spectrale de 2 plasmas d’arc en soudage TIG au CEA
0,40
Hélium
L umina nce (W/(cm^2.sr.nm))
0,35
2,00
Argon
1,80
Luminance (W/(cm^2.s r.nm))
1,60
– Isoudage = 200A
1,40
1,20
0,30
– Isoudage = 120A
0,25
– Isoudage = 80A
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
350
– Isoudage = 80A
550
750
950
1 150
13 50
1550
Longue ur d'onde (nm)
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
350
600
850
1100
1350
1600
1850
2100
2350
2600
2850
3100
Longueur d'onde (nm)
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Résultat de la mesure
Température (°C)
2mm
T fusion
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Fusion du Silicium dans un creuset froid
(collaboration avec le laboratoire Madylam)
Dentrites de silicium
Solidification en colonnes
T
200
160
120
80
40
O
ε
Si
solide> εSi liquide
Les particules solides plus froides émettent plus que le liquide plus chaud!
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Rappel: Loi de Planck
Lum inance en unité
arb itraire
E m is s io n d ' u n co rp s n o ir
L o i d e P lan ck
1,E+13
T= 52 3 K
1,E+12
T= 77 3 K
T= 97 3 K
T= 10 73 K
1,E+11
T= 12 73 K
T= 17 73 K
1,E+10
T= 22 73 K
Sensible à ε
T= 27 73 K
Sensible à T
1,E+09
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
0,1
1
10
L ong ueur d'o nde en m ic ro m ètre
L( λ, T ) = ε (λ , T ) ⋅ L (λ , T )
o
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100
1 équation
2 inconnues:
Émissivité ε
Température T
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Vue simultanée d’aluminium et de peinture noire
Infrarouge
∆T/T = (6,95 10-5) λ T ln ε
λ = 3 µm → ∆T/T = 20 %
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Ultraviolet
λ = 0,37 µm → ∆T/T = 2 %
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Banc de mesure de rayonnement
Spectroscopie d’émission :
• Spectromètre à transformée de Fourier
IR
• Spectromètre UV et visible
Détecteur :
• Caméra matricielle Princeton16 bits ou
Photomultiplicateur (0,3 - 1µm)
• Détecteur InSb (1 - 10µm)
• Bolomètre Ge dopé Or (0,3 – 1000 µm)
Fenêtres:
Fenêtre KBr (1,5µm - 25µm)
Fenêtre polyéthylène diamant (16 - 800µm)
Fenêtre diamant (0,3 - 1000µm)
Photo : Bolomètre refroidi He
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Schéma du système de mesure
Mesure de la température
Comptage de photons
Photomultiplicateur
Filtre 0.38µm
Caméra CCD Princeton
UV / Visible camera
Fenêtre en
Quartz
Double enceinte
refroidie à 77K
Echantillon
séparatrice
Enceinte à vide
Fenêtre en ZnSe
Spectromètre à réseau
Corps noir
séparatrice
Spectromètre ATF
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Bolomètre
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Émissivité de l’aluminium en fonction de la longueur
d’onde pour l’état solide et liquide.
Changement de
phase de
première espèce
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Émissivité de l’alliage CuSn en fonction de la température
Changement de phase
de deuxième espèce
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Cas d’un changement de structure
Spectres de luminance de l’acier écroui et recuit
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Cycle d’oxydation du Nickel poli : chauffages et refroidissements
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Surfaces rugueuses ou lisses:
déterminer T et ε
Méthodologie pour un corps aux propriétés inconnues :
1.
Mesure de la température par pyrométrie à la plus courte λ possible :
λT 2
∆ε
∆T =
14388 µmK ε
2. On fait une hypothèse grossière sur la valeur de ε dans l’ultraviolet
Ex : T = 2500 K
∆εUV
supposée = ± 50 %
ε UV
⇒ ∆T = 70K
∆ε IR λUV ∆ε UV
=
ε IR
λIR ε UV
∆ εU V
εU V
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∆T
∆
εIR
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Exemple : Bain de Nickel
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Exemple : Bain de Nickel
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Enregistrement sur un Four de Recuit de Galvanisation
(MYRIAD)
T IR
λIR = 1 µm
λUV = 0,39 µm
εIR à 4 µm
εε
T UV
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Bande de cisaillement adiabatique
Micrographie
Post mortem
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Thermographie
λ = 0,8 µm
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Mesure de luminance à λ=5 µm
4
1,25
Temps d'ouverture caméra
3
2,5
2
Signal détecteur
infrarouge
Signal détecteur
infrarouge
3,5
1,2
Changement de phase
du 2ème ordre
Tiα → Tiβ
T=925 °C
1,15
1,5
1
0,5
0
6700
1,1
Temps de pose
8 µs
(image précédente)
6710
6720
6730
6740
6750
6760
Temps en µs
Temps
en µs
6770
6780
6790
1,05
6800
Utilisation du signal IR pour synchroniser l’ouverture de la caméra à 0,63 µm
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CONCLUSION
Par des mesures de rayonnement à la plus courte longueur d’onde possible :
Pour une surface lisse à 2500K
Tmesurée = 2500 K ± 7 K
∆εIR mieux que 0,5 %
Pour une surface rugueuse à 2500K
Tmesurée = 2500 K ± 30 K
∆εIR mieux que 2 %
Dans tous les cas les changements de phase de 1er ordre et de 2eme ordre
sont repérés sans ambiguïté par la variation de l’émissivité, ce qui permet
éventuellement de recaler les températures mesurées et de gagner un facteur
important sur la précision en température.
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Développement en cours
Conjugaison d’ 1 caméra visible ou UV et d’1 caméra IR
(λ=5 µm) pour obtenir des cartographies en température
et en émissivité, c’est-à-dire des zones de changement de
structures
Exemple d’application : analyse d’une scène de soudage : contours du
bain liquide et des zones de changements de structures
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Matériau sous choc
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Emissivités en fonction de la pression
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Température de fusion du Bi en fonction de la pression.
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Mesures en environnement difficile
Le rayonnement reçu par l’appareil de mesure est :
L λ,Tm =εs.L0 λ,Tm= ε.L 0 λ,T + ρ.εv.L 0 λ,Tv
L mesuré
C2
C2
−

−

= Cte ⋅ ε ⋅ e λT + (1 − ε ) ⋅ e λ Tvoûte






Voûte chaude
Tôle en
déplacement
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Erreur due au rayonnement de la voûte en fonction de la longueur d’onde
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