Facteurs d'influence optiques

La mesure de température sans contact est basée sur une méthode de mesure optique. Les propriétés optiques d'un pyromètre ont une influence importante et souvent sous-estimée sur la précision de mesure. Souvent, seuls les paramètres spécifiés dans la fiche technique sont comparés lors du contrôle de l'incertitude de mesure. Pourtant, de simples lentilles mal choisies ou mal réglées peuvent entraîner des erreurs de mesure bien plus graves. Le rapport suivant explique les principes et les effets des erreurs d'imagerie optique ainsi que la spécification des paramètres optiques des pyromètres.  Il présente également un moyen pour l'utilisateur de contrôler lui-même la qualité de la lentille du pyromètre.

Aberration sphérique (erreur d'ouverture)
Les rayons lumineux qui arrivent près du bord d'une lentille sont focalisés à une distance différente de celle des rayons lumineux qui arrivent au centre.  Il en résulte une image légèrement floue.  Dans les systèmes optiques composés de plusieurs lentilles, l'aberration sphérique peut être réduite par une combinaison appropriée de plusieurs surfaces de lentilles.

Aberration chromatique (erreur chromatique longitudinale)
La distance focale des lentilles dépend de la longueur d'onde. La lumière ou le rayonnement de différentes longueurs d'onde est focalisé en différents points. L'image d'un objet apparaît alors avec des bords colorés autour de l'image.  L'aberration chromatique peut être fortement réduite par l'utilisation de lentilles corrigées pour deux (achromates) ou trois (apochromates) longueurs d'onde (figure 2). Les matériaux des lentilles sont alors choisis de telle sorte que pour deux ou trois longueurs d'onde, les erreurs d'imagerie des lentilles se compensent mutuellement.

Pour spécifier la lentille, on indique soit la taille du spot de mesure pour une distance donnée, soit le rapport de distance, c'est-à-dire le rapport entre la distance de mesure et le diamètre du champ de mesure.

La taille du spot de mesure des pyromètres est rapportée à un pourcentage fixe de l'énergie maximale pouvant être reçue dans un demi-espace.   100 % correspond à une cible de mesure infiniment grande. La taille du champ de mesure est typiquement rapportée à 90, 95 ou 98 % de l'énergie maximale pouvant être reçue (figure 3). 

Si le pourcentage de rayonnement est rapporté à 95 % au lieu de 90 %, il en résulte un champ de mesure plus grand. Les indications sur la taille du champ de mesure ne sont donc comparables que si elles se réfèrent au même pourcentage.  Certains fabricants n'indiquent pas le pourcentage de rayonnement ou le définissent à un faible pourcentage. De cette manière, ces fabricants font croire dans leurs fiches techniques que le champ de mesure est très petit, sachant qu'ils devraient indiquer une valeur nettement plus grande si l'indication était définie différemment.  En outre, certains fabricants spécifient la taille du champ de mesure sans tenir compte des tolérances des lentilles.

Pour les pyromètres, on distingue les appareils à lentille focalisable et les appareils à lentille à focalisation fixe.  Le champ de mesure n'est net que dans la distance de mise au point.  Lorsque le pyromètre fonctionne en dehors de la plage de focalisation, la répartition uniforme du rayonnement infrarouge sur le capteur n'est plus garantie (figure 4).

Le rayonnement reçu par la surface de mesure est alors détecté avec une intensité différente.  Les variations de température au centre ont un effet plus important qu'en périphérie du champ de mesure.

Cela a notamment des conséquences pour l'étalonnage du pyromètre devant un "corps noir". L'ouverture du four doit être plusieurs fois plus grande que le champ de mesure du pyromètre.  Pour les appareils dotés de lentilles simples et d'un grand champ de mesure, il faut déjà utiliser des émetteurs extrêmement grands comme source d'étalonnage afin de réduire les erreurs de mesure qui peuvent survenir lors de l'étalonnage.  C'est l'une des principales sources d'erreur qui explique la grande incertitude de mesure des appareils bon marché.

Un mauvais réglage de la mise au point peut conduire à des erreurs de mesure considérables, en particulier pour les petits objets à mesurer, qui ne sont que légèrement plus grands que la surface de mesure du pyromètre.  Mais même lorsque le pyromètre regarde l'objet à travers des ouvertures, des hublots, des parois de four ou des tubes de visée, une lentille mal adaptée ou une mauvaise mise au point peut rapidement conduire à un rétrécissement du cône de vision et donc à des mesures erronées.  Si l'on mesure sur des objets nettement plus grands que le champ de mesure du pyromètre, une modification de la température affichée se produit avec des lentilles simples lorsque la taille de l'objet à mesurer ou la distance de mesure change. La figure 5 montre la comparaison de la diminution de la valeur mesurée pour une lentille de haute qualité et une lentille simple par rapport au diamètre de l'objet de la mesure.  Avec une lentille simple, la valeur mesurée diminue considérablement lorsque la taille de l'objet change.  Une modification de la distance de mesure pour une taille d'objet constante provoque le même effet.  En d'autres termes, les appareils à lentille simple affichent des valeurs de mesure différentes en fonction de la distance de mesure.  Cette source d'erreur doit être prise en compte, en particulier lors de l'utilisation d'appareils manuels simples qui sont avec certitude utilisés à différentes distances.  Cet effet est appelé effet de taille de la source (SSE) et constitue une source d'erreur plus ou moins importante pour tous les pyromètres.  Les causes sont les erreurs d'imagerie de la lentille, la lumière parasite et la réflexion sur les composants optiques et les pièces du carter ainsi que la diffraction due à la nature ondulatoire de la lumière. L'effet de taille de la source diminue avec le raccourcissement de la longueur d'onde de mesure.  Cette influence peut être minimisée en corrigeant soigneusement les erreurs d'imagerie optique, en utilisant des composants optiques antireflets et en évitant la lumière parasite et les réflexions dans l'appareil.  L'utilisateur peut minimiser cette erreur dans la pratique en se focalisant exactement sur la distance de mesure.

Le rayonnement infrarouge émis par l’objet de la mesure se situe, en fonction de la température, dans une plage de longueurs d'onde comprise entre 0,6 et 20 µm, donc généralement au-dessus de la lumière visible. 
 
 Cela signifie tout d'abord que les lentilles doivent être corrigées pour la plage de longueurs d'onde utilisée par le pyromètre.  Si l'utilisateur souhaite faire une mise au point visuelle ou si les appareils sont équipés d'une caméra vidéo comme aide à la visée, les lentilles doivent être conçues de manière à ce que les erreurs d'imagerie optique soient corrigées de la même manière pour la plage de longueurs d'onde visible et infrarouge.  Dans les appareils simples, on utilise des lentilles qui ne sont pas corrigées en couleur ou qui ne sont corrigées que pour une seule longueur d'onde.  Dans ce cas, les points focaux des rayons infrarouges et visibles ne coïncident pas (figure 2).  Si la mise au point du pyromètre est réglée via le dispositif de visée, l’appareil n'est pas réglé de manière optimale pour le rayonnement infrarouge.

En particulier, lorsque des lasers sont utilisés pour indiquer le point de mesure, le point laser ne correspond pas à la distance de mesure avec des lentilles simples.

Seuls des systèmes à deux lentilles ou à trois lentilles optiquement complexes permettent d'éliminer autant que possible ces erreurs.  Les pyromètres de la série CellaTemp PA, par exemple, disposent d'une lentille de précision de haute qualité avec un système de lentilles antireflet à large bande. 

Ceci permet de mesurer correctement la température même pour des fils d'un diamètre de 0,3 mm.

L'utilisateur peut facilement vérifier la qualité de l'imagerie d'un pyromètre.  Pour cela, le pyromètre est orienté vers une source de rayonnement définie. 

La taille de la surface de rayonnement doit être plusieurs fois plus grande que le champ de mesure du pyromètre.  On positionne alors un iris ouvert à la distance focale (a) du pyromètre devant la source de rayonnement et on détermine la température avec le pyromètre pour un réglage d'émissivité de ε = 1 (figure 6).  Il est recommandé d'effectuer la mesure à la fin de la plage de mesure du pyromètre, car les erreurs de mesure optiques deviennent plus visibles avec une température plus élevée.  L'émissivité du pyromètre doit alors être réglée sur 0,98, ce qui entraîne une augmentation de la température affichée.

Ensuite, le diamètre de l'iris doit être réduit jusqu'à ce que la température affichée corresponde à nouveau à la valeur initiale. 
 
 Le diamètre de l'ouverture de l'iris correspond alors à la taille du champ de mesure par rapport à 98 % de l'énergie de rayonnement.  
 Le rapport à la distance de mesure a permet d'obtenir le rapport de distance D = . Cette mesure doit ensuite être répétée pour une taille de champ de mesure de 95 % et 90 % et le résultat doit être comparé avec les indications de la brochure du fabricant. 

De cette manière, il est très facile de vérifier et de comparer les propriétés d'imagerie optique réelles, y compris les effets des erreurs de lentille pour différents appareils.

La figure 7 indique par exemple les diamètres des objets à mesurer pour 90 % et 95 % de l'énergie de rayonnement. Pour 90 %, les différences de taille des champs de mesure sont encore relativement faibles (Ø 14 mm pour la lentille simple et Ø 10,2 mm pour la lentille de haute qualité).  Mais à 95 % (Ø 24 mm pour la lentille simple et Ø 11,5 mm pour la lentille haut de gamme), les données sont déjà très différentes.  Pour pouvoir indiquer une meilleure valeur (plus petite) pour le diamètre du champ de mesure, certains fabricants préfèrent donc indiquer la valeur pour une grandeur de référence plus petite du rayonnement (p. ex. 90 %). Ainsi, une lentille simple semble être nettement meilleure qu'elle ne l'est en réalité.

Pour les pyromètres équipés d'un pointeur, d'une caméra vidéo ou d'une visée optique, le test permet de déterminer en même temps si la distance du point de focalisation par rapport au champ de mesure et au champ de vision est identique et si le marquage du champ de mesure correspond effectivement à la position et à la taille de la surface de mesure du pyromètre.

Lors du choix d'un pyromètre, il convient non seulement de comparer les paramètres métrologiques, mais aussi de comparer précisément les propriétés optiques.  Comme les indications fournies par certains fabricants dans leurs brochures sont malheureusement souvent insuffisantes, il convient de demander en détail comment le champ de mesure indiqué a été déterminé et si les erreurs de lentilles et les tolérances d'alignement ont été prises en compte dans les spécifications. Une comparaison entre différents pyromètres n'est possible que si les données optiques et les valeurs de référence sont identiques.  Dans les cas critiques, il est conseillé de vérifier soi-même la qualité et les spécifications des données dans les brochures.  En effet, à quoi sert un pyromètre qui est certes spécifié avec une incertitude de mesure électrique nettement inférieure à 1 %, mais qui, d'autre part, présente des erreurs de mesure nettement plus importantes du fait de l'utilisation de lentilles et de structures optiques simples.