Erreurs de mesure dans la pratique lors de la mesure de température sans contact

La mesure de température sans contact ou pyrométrie est considérée avec scepticisme par de nombreux praticiens de la mesure de température. Les données techniques des fabricants documentent que les pyromètres sont des appareils de mesure très exacts et précis. Outre le bon choix d'un pyromètre adapté à votre application, la prise en compte des propriétés des matériaux et des influences environnementales sur site est cruciale.

Une utilisation professionnelle permet d'éviter les erreurs de mesure. Les causes d'erreurs les plus courantes et les possibilités de les réduire sont expliquées ci-dessous.

Les pyromètres mesurent le rayonnement thermique émis par un objet. Le rayonnement infrarouge émis par l'objet dépend des propriétés du matériau et de la surface. Cette propriété de rayonnement est décrite par l'émissivité ε. Pour une mesure précise de la température, l'émissivité de l'appareil doit être réglée. Une émissivité mal réglée peut provoquer des erreurs importantes. La figure 1 montre, en fonction de la longueur d'onde, l'écart de température (ΔT) pour trois valeurs mesurées si, au lieu d'une émissivité de 90 %, un degré d'émission de 80 % est réglé sur l'appareil. Avec une plus grande longueur d'onde de mesure ou une augmentation de la température, ces erreurs augmentent. Il convient donc de choisir la plage de longueurs d'onde la plus courte possible disponible pour la plage de mesure souhaitée.

En particulier lors de la mesure de surfaces métalliques dont l'émissivité est inconnue ou fortement fluctuante, le choix d'une longueur d'onde de mesure plus courte réduit considérablement les erreurs de mesure. L'émissivité des métaux augmente avec les longueurs d'onde plus courtes. Dans le même temps, l'influence de l'erreur est plus faible en cas de mauvais réglage de l'émissivité.

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 du faisceau 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.

εAppareil =εObjet · τFaisceau

εAppareil = émissivité à régler sur l'appareil
εObjet = émissivité de l'objet
τFaisceau = transmittance des objets dans le faisceau

Ceci devient plus problématique lorsque de la poussière, de l'huile ou des matériaux évaporés s'accumulent au fil du temps sur les lentilles ou les fenêtres de protection. Le pyromètre mesure alors une température plus basse avec l'augmentation de la pollution. Un nettoyage régulier des lentilles est donc nécessaire. Les dispositifs de purge d’air prolongent le cycle de nettoyage. Récemment, des pyromètres sont également disponibles sur le marché, qui disposent d'un indicateur de degré d’encrassement intégré. Si la lentille est sale, un signal d'alarme retentit.

La puissance de rayonnement ΦΣ atteignant le détecteur du pyromètre est déterminante pour la température de l'objet affichée.

Selon la formule suivante, il contient, en plus de la part d'émission de l'objet à mesurer, une part de rayonnement de fond, composée de la part de réflexion et de transmission du rayonnement ambiant.

ΦΣ = Φε + Φτ + Φρ

ε = émissivité de la surface de la mesure
τ = transmittance de l'objet de la mesure
ρ = réflectance de la surface de la mesure
L'influence des erreurs du rayonnement de fond est réduite plus l'émissivité de l'objet est grande et plus la température de l'objet est grande par rapport à la température ambiante.  Cette influence est problématique, par exemple, lors de l'utilisation de pyromètres à la sortie des fours à passage continu. L'erreur de mesure peut être réduite si l'alignement de la lentille empêche la réflexion du rayonnement thermique du four sur la surface de l'objet à mesurer. Les sources de rayonnement infrarouge telles que les lampes à incandescence, les radiateurs à infrarouge ou les lasers provoquent en partie de forts rayonnements infrarouges, qui sont sous-estimés dans la pratique.

Il existe des appareils avec filtre de blocage spécialement conçus pour les applications laser afin d'empêcher l'influence du rayonnement laser à haute énergie sur le très petit rayonnement infrarouge.

Les erreurs de représentation de la lentille, de la lumière diffusée et de la réflexion sur les composants optiques et les parties du boîtier, ainsi que la diffraction due à la nature ondulatoire de la lumière, ont pour conséquence qu'une partie du rayonnement détecté est appliquée au capteur en dehors du champ de mesure spécifié.    La lentille reçoit une partie du rayonnement en dehors du champ de mesure.       Cette influence du système optique est appelée « Size of Source Effect  (effet des dimensions de la source) ». Cette influence peut être minimisée par le fabricant en corrigeant soigneusement les aberrations optiques, en utilisant des composants optiques antireflets et en évitant les reflets dans l'appareil. Une lentille de haute qualité réduit ces facteurs d'erreur.      C'est au niveau du foyer de la lentille que le "Size of Source Effect" (effet des dimensions de la source) est le plus petit. Pour les pyromètres avec lentilles focalisables, cet effet peut être considérablement réduit si la distance de mesure est réglée correctement.

L'erreur optique augmente physiquement avec la longueur d'onde. Par conséquent, pour les appareils de mesure à ondes longues et donc pour les appareils à faible plage de mesure, un effort encore plus important de correction optique des erreurs doit avoir lieu. Avec des pyromètres moins chers qui mesurent à partir de la température ambiante, cela se remarque négativement sous la forme que la valeur de mesure affichée dépend beaucoup de la distance de mesure sélectionnée.

Si l'objet est nettement plus grand que la tache de mesure du pyromètre et que la surface est à peu près au même niveau de température, cet effet peut être presque négligé. Sinon, l'erreur peut être réduite en utilisant un appareil à lentille focalisable et en l'alignant exactement sur l'objet. Pour un alignement exact du pyromètre, il est recommandé d'utiliser un pointeur, une visée optique ou une caméra vidéo intégrée.

Dans un pyromètre bichromatique, le rapport des densités de rayonnement de deux plages spectrales différentes est évalué. Pour simplifier, la formule suivante s'applique pour la température mesurée avec les deux longueurs d'onde centrales λ1 et λ2.

1 ÷ TM = (1 ÷ TW) + ((λ1 · λ2) ÷ (C2 · (λ1 - λ2))) · (ln {ε1 ÷ ε2})

TM = émissivité de la surface de la mesure
TW = transmittance de l'objet de la mesure
C2 = réflectance de la surface de la mesure

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 rapport créé, l'erreur de température d'un pyromètre bichromatique peut devenir beaucoup plus grande que celle d'un pyromètre monochromatique en cas d'émissivités variables et différentes des deux longueurs d'onde de mesure. Les métaux et surtout les métaux de couleur présentent une variation de l'émissivité dépendant de la longueur d'onde. 

En revanche, les pertes de transmission telles que la poussière, la vapeur ou la fumée provoquent souvent un affaiblissement homogène de l'intensité du rayonnement. Par rapport aux pyromètres monochromatiques, la valeur mesurée pour les pyromètres bichromatiques reste constante dans ces conditions.

Les pyromètres bichromatiques innovants permettent de mesurer et de calculer simultanément la température aux deux longueurs d'onde monochromatiques et la température bichromatique. Ainsi, lors de la mise en service, il est possible de décider si la mesure avec un pyromètre monochromatique ou bichromatique fournit des valeurs  mesurées plus reproductibles et plus précises pour toute la plage de mesure.