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Introduction

Les métrologues sont souvent sceptiques sur la validité des mesures de température sans contact avec un pyromètre infrarouge. Cependant, les performances annoncées par les fabricants affirment le contraire. En plus de choisir judicieusement le bon modèle de pyromètre adapté à son application, il est indispensable de tenir compte de la nature du matériau à mesurer et des contraintes du lieu pour obtenir des valeurs fiables. Les erreurs de mesure peuvent être évitées avec une bonne pratique. Cet article décrit les différentes sources d’erreur lors de l’utilisation d’un pyromètre afin de les éviter.

Emissivité

Le pyromètre mesure les radiations infrarouges provenant des objets. Le flux radiatif émis par un objet dépend de sa température mais aussi de la nature du matériau ainsi que des propriétés de surface. La capacité d’un objet à réémettre ses radiations est quantifiée par le facteur d’émissivité symbolisé par la lettre ε. Il est donc nécessaire d’intégrer cette valeur pour le calcul de la température. A défaut, des erreurs importantes peuvent apparaitre. Le tableau ci-dessous illustre les écarts de lecture (ΔT) lorsque le pyromètre intègre une émissivité de 80% au lieu de 90%. L’erreur augmente pour des détecteurs à plus grandes longueurs d’ondes. C’est pourquoi, il est important de toujours choisir le pyromètre ayant la plus courte longueur d’onde tout en couvrant la gamme de mesure. Ceci est d’autant plus vrai pour les matériaux à faible émissivité ou à émissivité variable. C’est le cas de nombreux métaux. L’émissivité de ces derniers tend à augmenter lorsque la longueur d’onde diminue et les erreurs de lecture diminuent également.

 
 Longeur d'ondes

 TObject=500 °C
ΔT [°C]

 TObject=800 °C
ΔT [°C]

TObject=1500 °C 
ΔT [°C] 

λ= 0,78 µm- 1,06 µm

 5

 9

 25

λ= 1,10 µm- 1,70 µm

 8

 14

 37

λ= 4,46 µm- 4,82 µm

 23

 43

 103

λ= 8 µm- 14 µm

 43

 73

 150


Pertes en transmission

On parle de conditions optimales quand le pyromètre a un champ de vision dégagé vers l'objet. Si des obstacles tels que la poussière, les gaz, la fumée, les vitres de protection ou les matériaux opaques se trouvent dans le trajet des rayons du pyromètre, ils entraînent une réduction du rayonnement thermique de l'objet. Si les pertes de transmission sont connues, par exemple en cas de mesure à travers un verre de protection (Τ=0,95), elles peuvent être compensées en ajustant l’émissivité sur l'appareil.

εpyromètre= εobjet * Τtrajet optique 

εpyromètre = Emissivité instrumentale
εobjet        = Emissivité du matériau mesuré
Τ trajet optique = Transmission du milieu
L’accumulation de dépôts d’huile, de poussières et vapeurs dans le temps pose un gros problème. L’encrassement n’étant pas constant il n’est pas possible d’appliquer un unique facteur de correction. Dans ce cas, il faut régulièrement nettoyer la lentille avant d’éviter cette dérive. Il est également possible d’ajouter un purgeur  d'air devant la lentille pour diminuer la maintenance. De nos jours, certains pyromètres mesurent ce taux d’encrassement et déclenchent une alarme en cas de dépassement du seuil fixé par l’opérateur.

Radiations environnantes et bruit de fond

La température calculée par le pyromètre est fonction de la totalité des flux d’énergie reçus par le détecteur (ΦΣ). L’équation ci-dessous montre que l’énergie totale provient de l’objet mais aussi de toutes les réflexions environnantes. 

Φ∑ = Φε + ΦΤ + Φρ 

ε = émis par la surface de l’objet 
Τ = transmis au travers de l’objet 
ρ = réfléchi par la surface de l’objet 


L’erreur potentielle du bruit de fond est d’autant plus faible que la température de l’objet est plus élevée que la température ambiante. De même, plus l’émissivité de l’objet est élevé moins le pyromètre est sensible aux radiations environnantes. Les réflexions de surface peuvent être une source importante d’erreur. Il est sage positionner le pyromètre afin de diminuer ces influences. 


Les éléments radiatifs comme les lampes à incandescence, les lasers ou les fours à infrarouges sont des sources importantes d’infrarouge parasites. Certains modèles de la famille CellaTemp PQ / PZ et PA sont équipés de filtres spécifiques pour bloquer ces flux parasites. Ils sont spécifiquement dédiés aux mesures sur les processus avec laser. 

L'optique, l'élément le plus important

Les aberrations chromatiques, les erreurs de parallaxe, les diffractions et autres réflexions sont autant des sources d’erreur spécifique à la qualité des optiques. Hors c’est le flux résultant qui est mesuré par le capteur. L’optique est de loin l’élément le plus discriminant d’un pyromètre. L’ensemble de ces sources d’erreur est appelé « l’effet de taille de source ». Pour diminuer ce facteur, KELLER MSR développe des lentilles avec des matériaux et des traitements de surface spécifiques pour la pyrométrie. L’utilisation de ces lentilles hautes performances permet de garantir un faisceau optique optimal.
L’effet de taille de source est très sensible à la focalisation. Il augmente avec la température et avec les grandes longueurs d’ondes. Le choix d’un pyromètre avec une lentille haute performance et focalisable est indispensable pour garantir une bonne mesure.
Toutefois, l’effet de taille de source devient négligeable lorsque l’objet à mesurer est beaucoup plus grand que le spot de mesure. 

Pyromètre bichromatique

Le pyromètre bichromatique mesure les radiations à deux longueurs d’ondes. En première approche, l’équation intégrant λ1 et λ2 peut se définir comme suit :
TM = température mesurée
TW = température vraie 
C2 = constante de radiation

Si les émissivités ε1 et ε2 sont identiques pour les deux longueurs d'onde, la température mesurée correspond à la température de l'objet. Un pyromètre bichromatique mesure donc indépendamment de l'émissivité de la surface, à condition que les émissivités ε1 et ε2 soient identiques. En théorie, les pyromètres bichromatiques sont recommandés lorsque l'émissivité de l'objet à mesurer varie. Cependant, dans la pratique, il s'avère que cela dépend de l'application respective et ne s'applique que rarement. En raison du ratio créé, l'erreur de température d'un pyromètre bichromatique peut devenir beaucoup plus grande que celle d'un pyromètre spectral en cas d'émissions variables et différentes des deux longueurs d'onde de mesure. Les métaux en particulier présentent une variation de l'émissivité dépendant de la longueur d'onde.

En présence de perturbations sur le trajet optique telles que les poussières, vapeurs ou fumées, le pyromètre bichromatique convient parfaitement. L’atténuation du signal est de même quantité sur les deux voies. Le signal quotient reste donc stable et la mesure fiable même avec 90% d’atténuation. 

Les pyromètres bichromatiques modernes renvoient les deux voies monochromatiques ainsi que la voie bichromatique. L’opérateur peut donc s’assurer de la pertinence de sa mesure et, le cas échéant, repasser en mode monochromatique.

Théorie

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