Définition et influence de l'émissivité dans la mesure de température sans contact

Lors de la mesure de température sans contact, le rayonnement infrarouge ou thermique émis par l'objet de la mesure est détecté par un pyromètre. Le pyromètre calcule la température à partir du rayonnement reçu selon l'équation de Planck. La quantité de rayonnement dépend en grande partie de l'émissivité de l'objet de la mesure. Mais qu'est-ce que l'émissivité et quel est son effet sur la mesure pratique ? Comment peut-on déterminer l'émissivité et de quoi dépend-elle ?  Quelles sont les erreurs possibles en cas d’émissivité mal réglée et comment minimiser les erreurs de mesure ? Ces questions et d'autres sont l’objet de l'article suivant.

En plus de la température, la hauteur du rayonnement infrarouge/thermique dépend également de l'objet de la mesure lui-même. La capacité d'un objet à restituer le rayonnement thermique qu'il a reçu (absorbé) est décrite par l'émissivité. Un corps noir idéal ou dit « émetteur noir » émet tout le rayonnement qu'il absorbe. Un émetteur réel émet moins de rayonnement à la même température qu'un « émetteur noir ». L'émissivité ε est le rapport entre le rayonnement infrarouge d'un objet réel Φr et le rayonnement d'un « émetteur noir » Φs.

ε = Φr / Φs

L’émissivité est donc une grandeur physique sans dimension comprise entre 0 et 1 ou entre 0 et 100 %.

Le rayonnement qui frappe un objet de l'environnement est réfléchi plus ou moins fortement en fonction du degré de réflexion de l'objet de la mesure. Le rayonnement thermique suit les mêmes lois de rayonnement que la lumière visible. Pour les objets transparents (verre, films), un rayonnement thermique supplémentaire peut provenir de l'intérieur de l'objet de mesure et de l'arrière-plan. Le degré de transmission indique le pourcentage de rayonnement pénétrant à travers un objet. L'ensemble du rayonnements ΦΣ capté par un pyromètre se décompose comme suit.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = émissivité
p = réflectivité
τ = facteur de transmission
ΦO = rayonnement de l'objet
ΦU = rayonnement ambiant
ΦH = rayonnement de fond

Les coefficients de rayonnement sont liés par la formule :

1 = ε + ρ + τ

Pour les objets non transparents, la part de transmission est supprimée.

1 = ε + ρ

L'émissivité d'un objet dépend en grande partie du matériau ou de la surface du matériau. Les objets non métalliques et non transparents sont généralement de bons émetteurs de chaleur avec une émissivité > 80 %. Pour les métaux, l'émissivité peut varier entre 5 et 90 %. Plus un métal est brillant, plus l'émissivité est faible.

En outre, l'émissivité peut changer en fonction de la longueur d'onde. Cette propriété est particulièrement prononcée pour les métaux. La capacité de rayonnement des métaux augmente avec la longueur d'onde de plus en plus courte. Lors de la sélection, un pyromètre à ondes courtes est donc recommandé.

Les objets transparents tels que le verre, le plastique ou les gaz ont des plages de longueurs d'onde spécifiques dans lesquelles ils possèdent de bonnes propriétés de rayonnement. Pour mesurer la température de ces matériaux, les pyromètres doivent être sélectionnés avec des capteurs et des filtres spéciaux sensibles à cette longueur d'onde.

Pour les métaux et le verre, le comportement radiatif varie également en fonction de la température. En particulier, l'oxydation de la surface des métaux et le passage du solide au liquide modifient considérablement l'émissivité.

L'émissivité des métaux augmente avec l'augmentation de la température. Avec le verre, la température augmente l’épaisseur de pénétration du pyromètre et donc la proportion de rayonnement provenant de la zone intérieure.

Dans la pratique, un rayonnement externe peut se produire dans l'environnement. Un exemple classique est la mesure d'une tôle froide à l'intérieur du four de réchauffage chaud. En plus du rayonnement de l'objet, le pyromètre détecte également le rayonnement de la paroi du four qui se réfléchit sur la tôle. Plus la température de l'objet se rapproche de la température du four, plus l'erreur de mesure est faible.

Des tubes de visée refroidis à l'eau doivent être utilisés pour détecter la température réelle de l'objet. Ces derniers servent à ombrager le rayonnement parasite des parois du four. Le diamètre du tube doit être au moins 6 fois supérieur à la distance de mesure par rapport à l'objet pour former une ombre suffisamment grande.

Dans la littérature ou les manuels d'utilisation, vous trouverez des informations sur l'émissivité de différentes substances. Cependant, prudence avec ces informations. Il est important de savoir pour quelle longueur d'onde et quelle température la valeur spécifiée est valide. En outre, il s'agit de valeurs valables dans des conditions de mesure idéales.

Dans des conditions réelles, le rayonnement détecté par le pyromètre peut également résulter du rayonnement ambiant réfléchi ou translucide sur l'objet. Si le pyromètre est réglé sur la valeur littéraire idéalisée, il indique une température trop élevée.

Pour afficher la bonne température, l'émissivité du pyromètre doit être réglée sur une valeur plus élevée. On parle alors d'une augmentation artificielle du degré d'émission. Une mesure comparative avec un thermomètre à contact permet de déterminer l'émissivité réelle à régler. Bien sûr, l'erreur de mesure dépend également de la précision de la mesure par contact.

Alternativement, un autocollant avec un degré d'émission défini peut être collé sur l'objet de la mesure à des températures allant jusqu'à environ 250 °C.

Tout d'abord, la température réelle est déterminée sur l'autocollant (Figure 2). Ensuite, une mesure comparative est effectuée immédiatement à côté de l'autocollant et l'émissivité du pyromètre est réglée de manière que la valeur de mesure précédente soit à nouveau affichée. Comme l'influence du degré d'émission augmente avec la température, cette mesure comparative doit être effectuée à des températures plus élevées.

Pour des températures d'objets élevées ou des objets de mesure inaccessibles, par exemple dans un four à vide, une mesure comparative avec un pyromètre à ondes très courtes est recommandée, car pour des raisons physiques, l'erreur de mesure diminue avec une longueur d'onde de mesure plus courte.

Un pyromètre de comparaison d'intensité est idéal à cet effet (Figure 3). Le principe de mesure de ces appareils est basé sur une comparaison optique des couleurs à une longueur d'onde de 0,67 μm. De plus, le principe de mesure fonctionne indépendamment de la taille de l'objet de la mesure.

L'effet d'une modification de l'émissivité ou d'un réglage incorrect du pyromètre est visible sur la figure 4.

Il y a quelques années, des pyromètres qui détectent simultanément le rayonnement à deux longueurs d'onde sont apparus sur le marché. Le quotient de ces deux rayonnements est proportionnel à la température. Si le rayonnement reçu des deux canaux de mesure change en raison de la modification de l'émissivité, le quotient et donc la température restent néanmoins constants. Cependant, ceci ne s'applique que si le changement d'émissivité est identique pour les deux canaux. Dans la pratique, un changement dans les métaux n'est pas constant. Les pyromètres bichromatiques peuvent alors produire des erreurs de mesure beaucoup plus importantes qu’avec un pyromètre monocanal. Ainsi, Il convient de vous mettre en garde contre la mesure souvent citée « indépendante de l’émissivité » avec des pyromètres bichromatiques.

Un pyromètre bichromatique présente des avantages métrologiques si, par exemple, l'énergie de rayonnement des deux canaux est affaiblie de la même manière par des verres de regard sales ou de la poussière dans le champ de vision. La température est toujours affichée correctement.

Dans des conditions de mesure critiques, il est recommandé d'examiner en parallèle les deux valeurs monochromatiques de température et la température bichromatiques. Selon le résultat, le pyromètre peut être ajusté à la meilleure méthode de mesure.

Lors du choix d'un pyromètre, une grande attention est accordée à l'incertitude de mesure spécifiée dans la brochure. Mais avec la mesure de température sans contact, l'erreur de mesure qui se produit dépend essentiellement des propriétés métrologiques de l'objet de la mesure et des conditions environnementales. L'erreur de mesure spécifique à l'appareil n’a qu’un faible impact. Par conséquent, les corrélations décrites ci-dessus doivent être respectées lors du choix des pyromètres et de la détermination du point de mesure.