Principes de base de la mesure de température par infrarouge
Introduction
La mesure de la température peut être divisée en deux catégories ; avec contact et sans contact. Dans la pratique, les thermocouples et les sondes Pt 100 sont les représentants les plus courants de la première catégorie. Ils doivent toucher l'objet à mesurer et mesurent en principe leur propre température, adaptée à l'objet. Cela se traduit par une réponse relativement lente. Les capteurs sans contact mesurent l'énergie infrarouge (IR) émise par un objet, ont un temps de réponse rapide et sont souvent utilisés pour mesurer des objets en mouvement ainsi que des objets qui se trouvent dans le vide ou qui sont inaccessibles pour d'autres raisons.
Les thermomètres ou pyromètres infrarouges sont des capteurs sophistiqués qui ont été largement utilisés dans la recherche et l'industrie. Cet article décrit de manière compréhensible la théorie sur laquelle repose ce principe de mesure et comment cette théorie peut aider à gérer les différents paramètres spécifiques à l'application auxquels sont confrontés les utilisateurs potentiels.
Les thermomètres ou pyromètres infrarouges sont des capteurs sophistiqués qui ont été largement utilisés dans la recherche et l'industrie. Cet article décrit de manière compréhensible la théorie sur laquelle repose ce principe de mesure et comment cette théorie peut aider à gérer les différents paramètres spécifiques à l'application auxquels sont confrontés les utilisateurs potentiels.
Abb. 1 Spectre électromagnétique
Théorie et bases
Le rayonnement infrarouge a été découvert par Sir Isaac Newton en 1666, lorsqu'il a fait passer la lumière du soleil à travers un prisme et l'a séparée en couleurs de l'arc-en-ciel. En 1880, Sir William Herschel a franchi une nouvelle étape en déterminant l'énergie relative de chaque couleur. Il découvrit également l'énergie au-delà du spectre visible. Au début des années 1900, Planck, Stefan, Boltzmann, Wien et Kirchhoff ont continué à définir les activités du spectre électromagnétique et ont établi des données quantitatives et des équations pour décrire l'énergie IR.
Les thermomètres infrarouges mesurent la température en mesurant le rayonnement infrarouge émis par tous les matériaux et objets dont la température est supérieure au zéro absolu (0° Kelvin). Dans sa forme la plus simple, une lentille concentre l'énergie IR sur le détecteur, qui la convertit en un signal électrique. Après compensation de la température ambiante, ce signal peut alors être affiché. Cette configuration permet de mesurer la température à une certaine distance et sans contact avec l'objet à mesurer. Le thermomètre infrarouge est ainsi adapté aux tâches de mesure dans lesquelles les thermocouples ou autres sondes ne peuvent pas être utilisés ou donnent des résultats imprécis. Quelques exemples typiques sont la mesure d'objets en mouvement ou très petits, de pièces sous tension ou de produits chimiques agressifs, les mesures dans des champs électromagnétiques puissants, la mesure d'objets se trouvant dans le vide ou dans d'autres environnements fermés, ainsi que les applications nécessitant un temps de réponse rapide.
Les premiers projets de thermomètres infrarouges existent depuis le 19e siècle. Certains concepts ont été présentés par Charles A. Darling dans son livre "Pyrometry", publié en 1911.
Il a fallu attendre 1930 pour que la technologie soit disponible pour mettre ces concepts en pratique. Depuis cette époque, un développement continu de ces instruments a eu lieu, au cours duquel de vastes connaissances et expériences d'application ont pu être acquises. Aujourd'hui, ce concept s'est imposé comme méthode de mesure standard et est utilisé dans l'industrie et la recherche.
Les thermomètres infrarouges mesurent la température en mesurant le rayonnement infrarouge émis par tous les matériaux et objets dont la température est supérieure au zéro absolu (0° Kelvin). Dans sa forme la plus simple, une lentille concentre l'énergie IR sur le détecteur, qui la convertit en un signal électrique. Après compensation de la température ambiante, ce signal peut alors être affiché. Cette configuration permet de mesurer la température à une certaine distance et sans contact avec l'objet à mesurer. Le thermomètre infrarouge est ainsi adapté aux tâches de mesure dans lesquelles les thermocouples ou autres sondes ne peuvent pas être utilisés ou donnent des résultats imprécis. Quelques exemples typiques sont la mesure d'objets en mouvement ou très petits, de pièces sous tension ou de produits chimiques agressifs, les mesures dans des champs électromagnétiques puissants, la mesure d'objets se trouvant dans le vide ou dans d'autres environnements fermés, ainsi que les applications nécessitant un temps de réponse rapide.
Les premiers projets de thermomètres infrarouges existent depuis le 19e siècle. Certains concepts ont été présentés par Charles A. Darling dans son livre "Pyrometry", publié en 1911.
Il a fallu attendre 1930 pour que la technologie soit disponible pour mettre ces concepts en pratique. Depuis cette époque, un développement continu de ces instruments a eu lieu, au cours duquel de vastes connaissances et expériences d'application ont pu être acquises. Aujourd'hui, ce concept s'est imposé comme méthode de mesure standard et est utilisé dans l'industrie et la recherche.
Principe de mesure
Comme nous l'avons déjà mentionné, tous les corps dont la température est supérieure à 0°K émettent de l'énergie infrarouge. Le rayonnement infrarouge est la partie du spectre électromagnétique qui se situe entre la lumière visible et les ondes radio. La longueur d'onde du rayonnement IR s'étend de 0,7 µm à 1000 µm, comme le montre la figure 1. Dans la pratique, seules les longueurs d'onde de 0,7 à 20 µm de cette gamme de fréquences conviennent toutefois à la mesure de la température. Actuellement, il n'existe pas de détecteurs suffisamment sensibles pour mesurer les faibles quantités d'énergie émises au-dessus d'une longueur d'onde de 20 µm. L'énergie croît alors proportionnellement à la puissance 4 de la température.
La courbe (figure 2) représente l'énergie émise par un corps noir dans une plage de température de 700 K à 1300 K. Comme on peut le voir, la majeure partie se situe au-delà de la zone visible Le rayonnement IR n'est certes pas perceptible par l'œil humain, mais il est néanmoins utile de se représenter ce rayonnement comme de la lumière visible afin de comprendre le principe de fonctionnement et les questions qui se posent dans les applications.
Sous de nombreux aspects, le rayonnement IR se comporte effectivement comme de la lumière visible. Le rayonnement IR se déplace en ligne droite en s'éloignant de la source de rayonnement et peut être réfléchi ou absorbé par des objets situés sur le trajet du faisceau. La plupart des objets qui ne sont pas transparents pour l'œil humain réfléchissent une partie du rayonnement IR et l'absorbent en partie. Une partie de l'énergie absorbée est à son tour réfléchie en interne et une partie est réémise. C'est également le cas pour les objets transparents pour l'œil humain, comme le verre, les gaz et les films plastiques fins et transparents. En outre, une partie du rayonnement traverse également l'objet. La figure 3 illustre ces processus. L'ensemble de ces processus contribue à ce que nous appelons le facteur d'émission d'un objet ou d'un matériau.
La courbe (figure 2) représente l'énergie émise par un corps noir dans une plage de température de 700 K à 1300 K. Comme on peut le voir, la majeure partie se situe au-delà de la zone visible Le rayonnement IR n'est certes pas perceptible par l'œil humain, mais il est néanmoins utile de se représenter ce rayonnement comme de la lumière visible afin de comprendre le principe de fonctionnement et les questions qui se posent dans les applications.
Sous de nombreux aspects, le rayonnement IR se comporte effectivement comme de la lumière visible. Le rayonnement IR se déplace en ligne droite en s'éloignant de la source de rayonnement et peut être réfléchi ou absorbé par des objets situés sur le trajet du faisceau. La plupart des objets qui ne sont pas transparents pour l'œil humain réfléchissent une partie du rayonnement IR et l'absorbent en partie. Une partie de l'énergie absorbée est à son tour réfléchie en interne et une partie est réémise. C'est également le cas pour les objets transparents pour l'œil humain, comme le verre, les gaz et les films plastiques fins et transparents. En outre, une partie du rayonnement traverse également l'objet. La figure 3 illustre ces processus. L'ensemble de ces processus contribue à ce que nous appelons le facteur d'émission d'un objet ou d'un matériau.
Abb. 2 Propriétés radiatives des corps noirs
Abb. 3 Echange de chaleur et rayonnement
Comme pour la lumière visible, plus une surface est polie, plus elle réfléchit l'énergie du rayonnement IR. L'état de la surface influence donc également le facteur d'émission. Pour la mesure de la température, cela est particulièrement important pour les objets qui sont opaques aux IR et qui ont un faible facteur d'émission. Un objet en acier inoxydable poli a un facteur d'émission beaucoup plus faible que le même objet avec une surface rugueuse. Après l'usinage, par exemple après le tournage, l'objet rugueux présente de nombreuses petites rainures et irrégularités qui réduisent considérablement la réflectivité de la pièce.
Il découle du principe de conservation de l'énergie que la somme des coefficients de l'énergie IR transmise, réfléchie et émise (absorbée) doit être égale à 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Il est également vrai que le facteur d'émission est égal au facteur d'absorption :
ελ = αλ
on a :
ελ = 1 - σλ+ τλ
Il découle du principe de conservation de l'énergie que la somme des coefficients de l'énergie IR transmise, réfléchie et émise (absorbée) doit être égale à 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Il est également vrai que le facteur d'émission est égal au facteur d'absorption :
ελ = αλ
on a :
ελ = 1 - σλ+ τλ
Abb. 4 Comparaison entre un projecteur noir, un projecteur gris et un projecteur de couleur
Ce coefficient peut être inséré dans l'équation de Planck en tant que variable décrivant les propriétés d'une surface par rapport à la longueur d'onde. Pour les objets opaques, l'équation peut être simplifiée comme suit :
ελ = 1 - σλ
Les objets qui ne réfléchissent ni ne transmettent le rayonnement infrarouge sont appelés corps noirs. Un corps noir naturel n'est pas connu. Pour la théorie et pour le calcul d'autres objets, un corps noir a un facteur d'émission de 1,0. Dans la pratique, la meilleure approximation d'un véritable corps noir est obtenue par une sphère opaque aux IR avec une petite ouverture d'entrée cylindrique. La surface intérieure d'un tel objet a un facteur d'émission de 0,998.
Le facteur d'émission est une mesure du rapport entre les rayonnements thermiques émis par un corps gris et un corps noir à la même température. Un corps gris est un objet qui possède le même facteur d'émission à toutes les longueurs d'onde et qui émet moins de rayonnement infrarouge qu'un corps noir. Un corps noir est un objet dont le facteur d'émission varie avec la longueur d'onde, comme c'est le cas pour les métaux.
ελ = 1 - σλ
Les objets qui ne réfléchissent ni ne transmettent le rayonnement infrarouge sont appelés corps noirs. Un corps noir naturel n'est pas connu. Pour la théorie et pour le calcul d'autres objets, un corps noir a un facteur d'émission de 1,0. Dans la pratique, la meilleure approximation d'un véritable corps noir est obtenue par une sphère opaque aux IR avec une petite ouverture d'entrée cylindrique. La surface intérieure d'un tel objet a un facteur d'émission de 0,998.
Le facteur d'émission est une mesure du rapport entre les rayonnements thermiques émis par un corps gris et un corps noir à la même température. Un corps gris est un objet qui possède le même facteur d'émission à toutes les longueurs d'onde et qui émet moins de rayonnement infrarouge qu'un corps noir. Un corps noir est un objet dont le facteur d'émission varie avec la longueur d'onde, comme c'est le cas pour les métaux.
Des matériaux différents ont également des facteurs d'émission différents et émettent donc un rayonnement IR d'intensité différente à une température donnée. Celle-ci n'est généralement pas fonction de la couleur, à moins que le matériau de la peinture ne présente une nette différence avec le matériau de l'objet. Un exemple de cas où cela s'applique est la peinture à effet métallique, qui contient de grandes quantités de particules d'aluminium. La plupart des peintures ont le même facteur d'émission, indépendant de la teinte. L'aluminium, en revanche, a un facteur d'émission très différent, de sorte qu'il en résulte également un facteur d'émission différent pour la peinture à effet métallique.
Outre la composition et la structure de surface d'un objet, un troisième facteur a une influence indirecte sur le facteur d'émission : la plage spectrale du capteur. Il n'a pas d'influence directe sur l'objet, mais sur la manière dont le capteur perçoit le spectre émis par l'objet.
Les matériaux qui sont partiellement transparents, comme le verre, les matières plastiques ou le silicone, doivent être mesurés dans une plage en combinaison avec les filtres sélectifs correspondants.
Outre la composition et la structure de surface d'un objet, un troisième facteur a une influence indirecte sur le facteur d'émission : la plage spectrale du capteur. Il n'a pas d'influence directe sur l'objet, mais sur la manière dont le capteur perçoit le spectre émis par l'objet.
Les matériaux qui sont partiellement transparents, comme le verre, les matières plastiques ou le silicone, doivent être mesurés dans une plage en combinaison avec les filtres sélectifs correspondants.
Abb. 5 Facteur d'émission de différents matériaux en fonction de la longueur d'onde
Les paragraphes précédents ont montré que le facteur d'émission est un paramètre particulièrement important de la mesure de température par infrarouge. Tant que le facteur d'émission de l'objet de mesure n'est pas connu avec précision et pris en compte dans la mesure, il est très peu probable que les valeurs de mesure obtenues soient exactes. Il existe essentiellement deux possibilités pour déterminer le facteur d'émission. Soit le facteur d'émission peut être tiré de tableaux, soit il peut être déterminé par une mesure comparative. Toutefois, comme les données des tableaux ont généralement été déterminées dans des conditions de laboratoire idéalisées, les influences environnementales, qui entraînent un écart énorme, notamment pour les facteurs faibles, ne sont pas prises en compte. De même, les tableaux n'indiquent pas la température de mesure et la longueur d'onde de mesure de base. En première approximation, la valeur du tableau est certainement très utile. Lors de la mesure comparative, l'objet de mesure est mesuré à l'aide d'un thermocouple ou d'une autre sonde de température, afin de régler ensuite le facteur d'émission sur le thermomètre infrarouge de manière à ce qu'il affiche la même température. En règle générale, on peut dire que la plupart des matériaux opaques non métalliques ont un facteur d'émission élevé et relativement stable de 0,85 à 0,95. Pour la plupart des matériaux métalliques non oxydés, le facteur d'émission se situe dans une fourchette de 0,2 à 0,5, à l'exception de l'or, de l'argent et de l'aluminium, qui ont un facteur d'émission encore faible. Par conséquent, la température de ces métaux est difficile à mesurer avec des thermomètres infrarouges, car la part de réflexion du rayonnement ambiant est de l'ordre de grandeur du rayonnement de l'objet ou supérieure à celui-ci.
S'il est presque toujours possible de déterminer le facteur d'émission du matériau, des problèmes surviennent lorsque le matériau n'a pas un facteur d'émission constant, mais que celui-ci varie avec la température. C'est le cas de la plupart des métaux, mais aussi de certains autres matériaux, comme le silicium ou les céramiques monocristallines de haute pureté. Dans ce cas, la mesure comparative et le réglage devraient être effectués à la température décisive pour le processus.
Les équations et formules sur lesquelles se base la mesure de la température sont connues et éprouvées depuis longtemps. Il est peu probable que l'utilisateur doive utiliser ces formules dans son travail quotidien avec des thermomètres infrarouges. Cependant, la connaissance de ces bases permet de mieux comprendre comment certaines variables et paramètres s'influencent mutuellement. Les principales formules résumées sont les suivantes :
1. Loi de Kirchhoff sur le rayonnement
Pour une température T et une longueur d'onde l données, l'émissivité e est égale à l'absorbance
e = α
Il en résulte que le flux de rayonnement øλ d'un objet réel est égal à celui du corps écarlate øs à la même température multiplié par l'émissivité de l'objet est
øλ = ε * øs
2. Loi de Stefan-Boltzmann
Plus la température T d'un objet est élevée, plus la puissance de rayonnement P émise est importante pour une émissivité ε et une surface rayonnante A données (k = constante)
P = k*ε*A*T4
3. Loi de déplacement de Wien
La longueur d'onde à laquelle se situe le maximum du rayonnement énergétique se déplace vers les ondes courtes lorsque la température augmente.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Équation de Planck
Cette équation décrit la relation entre la longueur d'onde, la température T et la puissance du rayonnement
S'il est presque toujours possible de déterminer le facteur d'émission du matériau, des problèmes surviennent lorsque le matériau n'a pas un facteur d'émission constant, mais que celui-ci varie avec la température. C'est le cas de la plupart des métaux, mais aussi de certains autres matériaux, comme le silicium ou les céramiques monocristallines de haute pureté. Dans ce cas, la mesure comparative et le réglage devraient être effectués à la température décisive pour le processus.
Les équations et formules sur lesquelles se base la mesure de la température sont connues et éprouvées depuis longtemps. Il est peu probable que l'utilisateur doive utiliser ces formules dans son travail quotidien avec des thermomètres infrarouges. Cependant, la connaissance de ces bases permet de mieux comprendre comment certaines variables et paramètres s'influencent mutuellement. Les principales formules résumées sont les suivantes :
1. Loi de Kirchhoff sur le rayonnement
Pour une température T et une longueur d'onde l données, l'émissivité e est égale à l'absorbance
e = α
Il en résulte que le flux de rayonnement øλ d'un objet réel est égal à celui du corps écarlate øs à la même température multiplié par l'émissivité de l'objet est
øλ = ε * øs
2. Loi de Stefan-Boltzmann
Plus la température T d'un objet est élevée, plus la puissance de rayonnement P émise est importante pour une émissivité ε et une surface rayonnante A données (k = constante)
P = k*ε*A*T4
3. Loi de déplacement de Wien
La longueur d'onde à laquelle se situe le maximum du rayonnement énergétique se déplace vers les ondes courtes lorsque la température augmente.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Équation de Planck
Cette équation décrit la relation entre la longueur d'onde, la température T et la puissance du rayonnement
Conception de thermomètres infrarouges
Un thermomètre infrarouge se compose principalement des blocs fonctionnels suivants :
1. Une lentille qui concentre l'énergie rayonnée par l'objet.
2. Un détecteur qui convertit l'énergie rayonnée en un signal électrique.
3. Un réglage du facteur d'émission pour adapter le thermomètre aux caractéristiques de l'objet à mesurer.
4.Une compensation de la température ambiante pour éviter que la température du thermomètre ne soit prise en compte dans le signal de sortie.
Pendant de nombreuses années, la plupart des thermomètres IR disponibles dans le commerce ont suivi ce concept. Ils étaient limités dans leurs possibilités d'utilisation et, rétrospectivement, n'offraient pas de résultats de mesure satisfaisants. Cependant, selon les critères de l'époque, ils étaient tout à fait adéquats et très robustes.
1. Une lentille qui concentre l'énergie rayonnée par l'objet.
2. Un détecteur qui convertit l'énergie rayonnée en un signal électrique.
3. Un réglage du facteur d'émission pour adapter le thermomètre aux caractéristiques de l'objet à mesurer.
4.Une compensation de la température ambiante pour éviter que la température du thermomètre ne soit prise en compte dans le signal de sortie.
Pendant de nombreuses années, la plupart des thermomètres IR disponibles dans le commerce ont suivi ce concept. Ils étaient limités dans leurs possibilités d'utilisation et, rétrospectivement, n'offraient pas de résultats de mesure satisfaisants. Cependant, selon les critères de l'époque, ils étaient tout à fait adéquats et très robustes.
Abb. 6 Diagramme fonctionnel d'un thermomètre infrarouge
Les thermomètres IR modernes sont basés sur ce concept de base, mais ont été considérablement affinés au fil du temps. Les principales différences sont l'utilisation d'un grand nombre de types de détecteurs différents, le filtrage sélectif du signal IR, la linéarisation et l'amplification du signal du détecteur ainsi que des signaux de sortie de température standardisés tels que 4-20 mA ou 0-10 V DC. La figure 6 montre un schéma fonctionnel d'un pyromètre infrarouge à lumière continue moderne.
Le progrès le plus important dans la mesure de la température IR a probablement été réalisé avec l'introduction de filtres sélectifs pour le rayonnement IR. Cela a permis d'utiliser des détecteurs plus sensibles et des amplificateurs de signaux plus stables. Alors que les premiers thermomètres IR dépendaient d'un large spectre IR pour obtenir un signal de sortie de détecteur utilisable, les détecteurs modernes se contentent d'une largeur de bande de 1 μm ou plus. La nécessité de réduire le spectre et de sélectionner certaines longueurs d'onde s'explique par le fait qu'il faut souvent mesurer à travers un milieu dont la température ne doit pas être prise en compte dans la mesure en raison de sa teneur en carbone ou en hydrogène. En outre, il est parfois nécessaire de mesurer la température d'objets ou de gaz qui sont transparents sur une large plage du spectre IR. Voici quelques exemples de limitation sélective du spectre :
- 8 - 14 μm : les influences de l'humidité de l'air sont également exclues sur de grandes distances.
- 7,9 μm : permet de mesurer des films plastiques minces qui laissent passer les IR sur de larges zones.
- 3,86 μm : les interférences avec le CO2 et la vapeur d'eau dans les flammes et les gaz de combustion sont efficacement supprimées.
Le progrès le plus important dans la mesure de la température IR a probablement été réalisé avec l'introduction de filtres sélectifs pour le rayonnement IR. Cela a permis d'utiliser des détecteurs plus sensibles et des amplificateurs de signaux plus stables. Alors que les premiers thermomètres IR dépendaient d'un large spectre IR pour obtenir un signal de sortie de détecteur utilisable, les détecteurs modernes se contentent d'une largeur de bande de 1 μm ou plus. La nécessité de réduire le spectre et de sélectionner certaines longueurs d'onde s'explique par le fait qu'il faut souvent mesurer à travers un milieu dont la température ne doit pas être prise en compte dans la mesure en raison de sa teneur en carbone ou en hydrogène. En outre, il est parfois nécessaire de mesurer la température d'objets ou de gaz qui sont transparents sur une large plage du spectre IR. Voici quelques exemples de limitation sélective du spectre :
- 8 - 14 μm : les influences de l'humidité de l'air sont également exclues sur de grandes distances.
- 7,9 μm : permet de mesurer des films plastiques minces qui laissent passer les IR sur de larges zones.
- 3,86 μm : les interférences avec le CO2 et la vapeur d'eau dans les flammes et les gaz de combustion sont efficacement supprimées.
La plage de température joue un rôle important dans le choix de la longueur d'onde la mieux adaptée à la mesure. Il résulte de l'équation de Planck, comme le montre la figure 2 pour un corps noir, que le maximum de la courbe de rayonnement se déplace vers la zone des ondes courtes lorsque la température augmente. Même dans les applications où un choix sélectif d'un domaine spectral n'est pas nécessaire en soi, il peut être avantageux de limiter le domaine spectral à une partie étroite, aussi courte que possible. L'un des avantages réside dans le fait que le facteur d'émission effectif de nombreux objets est le plus élevé, en particulier pour les métaux avec des longueurs d'onde plus courtes. De plus, cette limitation a un effet positif sur la précision, car les capteurs avec une plage spectrale étroite sont moins influencés par les modifications du facteur d'émission de l'objet de mesure, comme on peut le voir sur la figure 7.
Abb. 7 Abhängigkeit de l'émissivité manquante à différentes longueurs d'onde
Structure constructive
Les thermomètres infrarouges sont fabriqués dans une multitude de configurations qui se distinguent par leur optique, leur électronique, leur technologie, leur taille et leur boîtier. Cependant, la chaîne de traitement des signaux est commune, avec un signal IR au début et un signal de sortie électronique à la fin. Cette chaîne de mesure générale commence par un système optique composé de lentilles et/ou de fibres optiques, de filtres et d'un détecteur.
Du point de vue de l'application technique, le champ de vision est la caractéristique essentielle de l'optique, c'est-à-dire la taille du spot de mesure à une distance donnée. Le rapport entre la distance de mesure et le diamètre du spot de mesure est décrit par le rapport de distance. Dans la pratique, il est possible de choisir entre des pyromètres à distance focale fixe et des pyromètres à focalisation. Les appareils à optique fixe ne donnent une image nette de l'objet qu'au point focal. Pour les autres distances de mesure, le diamètre du spot de mesure augmente de manière disproportionnée par rapport au rapport de distance calculé. De telles optiques conviennent en premier lieu aux objets de grande surface. Pour les petits objets ou les grandes distances de mesure, l'utilisation d'optiques focalisables est plutôt recommandée. Grâce à la possibilité de régler la distance de mesure, les pyromètres à optique focalisable peuvent être utilisés de manière beaucoup plus flexible.
Il est important de savoir, lors de l'indication et de la comparaison du diamètre du spot de mesure, à quel pourcentage de la puissance de rayonnement cette indication se rapporte. Par exemple, un spot de mesure se référant à 98 % de l'énergie est deux fois plus grand qu'un diamètre se référant à 90 % de la puissance. C'est justement pour les petits objets à mesurer de l'ordre de grandeur du spot de mesure du pyromètre que cela peut entraîner des erreurs de mesure considérables.
Un autre aspect de l'optique est la visée de l'objet à mesurer. Sur les appareils sans aide à la visée, la lentille est orientée de manière fixe par rapport à la surface et mesure la température de surface. Cela vaut surtout pour les capteurs fixes qui sont orientés vers des objets suffisamment grands et pour lesquels une mesure précise n'est pas nécessaire. Pour les objets plus petits ou les instruments qui mesurent à de plus grandes distances, un dispositif de visée sous la forme d'une optique de transparence, d'un point lumineux ou d'un faisceau laser est indispensable.
La sensibilité du pyromètre est déterminée par l'utilisation d'une série de détecteurs et de filtres différents. Comme le montre la figure 8, les détecteurs au sulfure de plomb offrent la sensibilité la plus élevée et les thermopiles la plus faible. La plupart des détecteurs fonctionnent soit selon le principe photoélectrique (le rayonnement IR incident provoque un signal de tension), soit sur la base de la photoconductivité (le rayonnement IR incident modifie la résistance).
En raison de la faible énergie de rayonnement, des plages spectrales à large bande sont nécessaires à basses températures et donc à une longueur d'onde de mesure plus longue. A des températures plus élevées, la sensibilité est fortement réduite par des filtres à bande étroite. Ainsi, les influences perturbatrices dépendant de la longueur d'onde sont minimisées.
Du point de vue de l'application technique, le champ de vision est la caractéristique essentielle de l'optique, c'est-à-dire la taille du spot de mesure à une distance donnée. Le rapport entre la distance de mesure et le diamètre du spot de mesure est décrit par le rapport de distance. Dans la pratique, il est possible de choisir entre des pyromètres à distance focale fixe et des pyromètres à focalisation. Les appareils à optique fixe ne donnent une image nette de l'objet qu'au point focal. Pour les autres distances de mesure, le diamètre du spot de mesure augmente de manière disproportionnée par rapport au rapport de distance calculé. De telles optiques conviennent en premier lieu aux objets de grande surface. Pour les petits objets ou les grandes distances de mesure, l'utilisation d'optiques focalisables est plutôt recommandée. Grâce à la possibilité de régler la distance de mesure, les pyromètres à optique focalisable peuvent être utilisés de manière beaucoup plus flexible.
Il est important de savoir, lors de l'indication et de la comparaison du diamètre du spot de mesure, à quel pourcentage de la puissance de rayonnement cette indication se rapporte. Par exemple, un spot de mesure se référant à 98 % de l'énergie est deux fois plus grand qu'un diamètre se référant à 90 % de la puissance. C'est justement pour les petits objets à mesurer de l'ordre de grandeur du spot de mesure du pyromètre que cela peut entraîner des erreurs de mesure considérables.
Un autre aspect de l'optique est la visée de l'objet à mesurer. Sur les appareils sans aide à la visée, la lentille est orientée de manière fixe par rapport à la surface et mesure la température de surface. Cela vaut surtout pour les capteurs fixes qui sont orientés vers des objets suffisamment grands et pour lesquels une mesure précise n'est pas nécessaire. Pour les objets plus petits ou les instruments qui mesurent à de plus grandes distances, un dispositif de visée sous la forme d'une optique de transparence, d'un point lumineux ou d'un faisceau laser est indispensable.
La sensibilité du pyromètre est déterminée par l'utilisation d'une série de détecteurs et de filtres différents. Comme le montre la figure 8, les détecteurs au sulfure de plomb offrent la sensibilité la plus élevée et les thermopiles la plus faible. La plupart des détecteurs fonctionnent soit selon le principe photoélectrique (le rayonnement IR incident provoque un signal de tension), soit sur la base de la photoconductivité (le rayonnement IR incident modifie la résistance).
En raison de la faible énergie de rayonnement, des plages spectrales à large bande sont nécessaires à basses températures et donc à une longueur d'onde de mesure plus longue. A des températures plus élevées, la sensibilité est fortement réduite par des filtres à bande étroite. Ainsi, les influences perturbatrices dépendant de la longueur d'onde sont minimisées.
Pour optimiser la réponse des systèmes de capteurs IR, il faut tenir compte de la courbe spectrale du détecteur ainsi que de ses caractéristiques.
L'électronique du thermomètre IR linéarise le signal de sortie du détecteur pour générer finalement un signal linéaire de courant 0 (4) - 20 mA ou de tension 0(2)-10 V. Souvent, la linéarisation s'effectue désormais par logiciel via un microprocesseur.
Par rapport à la linéarisation analogique, il est ainsi possible d'obtenir une plus grande précision avec des étendues de mesure plus importantes.
Le signal peut également être numérisé et envoyé à une interface ou à un régulateur, un indicateur ou un enregistreur. Comme fonctions supplémentaires, les thermomètres IR disposent, selon l'équipement, d'alarmes, de mémoires min/max réglables pour les mesures intermittentes, d'intervalles de mesure et de temps de réponse réglables ainsi que de fonctions d'échantillonnage et de maintien.
Comme mentionné au début, l'avantage de la mesure de température sans contact est le temps de réponse court. Les détecteurs thermoélectriques pour les appareils à basse température atteignent des temps de réponse de 30 ms. Les détecteurs photoélectriques haute température ont des temps de réponse de 2 ms.
Si un capteur avec des temps de réponse rapides est utilisé dans une application, les autres composants de la boucle de régulation doivent également permettre des vitesses de traitement ou de réglage correspondantes.
L'électronique du thermomètre IR linéarise le signal de sortie du détecteur pour générer finalement un signal linéaire de courant 0 (4) - 20 mA ou de tension 0(2)-10 V. Souvent, la linéarisation s'effectue désormais par logiciel via un microprocesseur.
Par rapport à la linéarisation analogique, il est ainsi possible d'obtenir une plus grande précision avec des étendues de mesure plus importantes.
Le signal peut également être numérisé et envoyé à une interface ou à un régulateur, un indicateur ou un enregistreur. Comme fonctions supplémentaires, les thermomètres IR disposent, selon l'équipement, d'alarmes, de mémoires min/max réglables pour les mesures intermittentes, d'intervalles de mesure et de temps de réponse réglables ainsi que de fonctions d'échantillonnage et de maintien.
Comme mentionné au début, l'avantage de la mesure de température sans contact est le temps de réponse court. Les détecteurs thermoélectriques pour les appareils à basse température atteignent des temps de réponse de 30 ms. Les détecteurs photoélectriques haute température ont des temps de réponse de 2 ms.
Si un capteur avec des temps de réponse rapides est utilisé dans une application, les autres composants de la boucle de régulation doivent également permettre des vitesses de traitement ou de réglage correspondantes.
Abb. 8 Courbe spectrale de différents capteurs
Mesure monochromatique : mesure de la température à une seule longueur d'onde
La mesure de la température à une longueur d'onde consiste à mesurer l'énergie émise par une surface à une longueur d'onde donnée. Ces instruments vont des sondes portables avec un simple affichage externe aux instruments portables sophistiqués dans lesquels la température est affichée dans une fenêtre à travers laquelle l'objet est visé. Des fonctions de mémorisation et d'impression sont également disponibles. La gamme des capteurs en ligne fixes va des petits détecteurs simples avec une électronique externe aux modules robustes et complexes avec régulateur PID intégré. La fibre optique, l'optique de transparence, la visée laser, le refroidissement par eau et les systèmes de scanners sont autant d'options utilisées dans la surveillance et la régulation des processus. Depuis peu, on propose même des pyromètres avec caméra vidéo intégrée, ce qui permet, en plus de la mesure, un contrôle optique du point de mesure depuis la salle de contrôle. Il existe de grandes différences en ce qui concerne la taille, les performances, la robustesse, la flexibilité et le traitement des signaux.
Lors de la conception et du dimensionnement des applications, la configuration du capteur, les filtres, la plage de température, les optiques, le temps de réponse et le facteur d'émission sont des critères importants qui doivent être pris en compte de manière approfondie.
Le choix de la plage spectrale IR et de la plage de température doit toujours être considéré en relation avec l'application spécifique. Les courbes spectrales présentées dans la figure 2 montrent que les courtes longueurs d'onde conviennent mieux aux hautes températures, tandis que les basses températures doivent plutôt être mesurées dans la gamme des ondes plus longues. Lorsque des objets transparents, comme le verre ou les films plastiques, doivent être mesurés, un filtre sélectif à bande étroite est nécessaire. Ainsi, le film de polyéthylène a une zone d'absorption CH de 3,43 μm, à laquelle il est opaque aux rayonnements IR. De même, de nombreux matériaux vitreux possèdent une zone opaque à environ 5 μm. Inversement, un capteur avec un filtre dans la plage jusqu'à 2 μm permet une mesure à travers une fenêtre en verre, par exemple pour les chambres à vide ou à pression. Une autre option pour la mesure dans des chambres avec des points de mesure étroits ou des températures ambiantes élevées consiste à utiliser des fibres optiques.
La mesure de température IR avec une longueur d'onde représente donc une technologie polyvalente et pourtant simple, suffisante dans de nombreuses applications où la régulation de la température du produit est essentielle pour une qualité de produit constante.
Lors de la conception et du dimensionnement des applications, la configuration du capteur, les filtres, la plage de température, les optiques, le temps de réponse et le facteur d'émission sont des critères importants qui doivent être pris en compte de manière approfondie.
Le choix de la plage spectrale IR et de la plage de température doit toujours être considéré en relation avec l'application spécifique. Les courbes spectrales présentées dans la figure 2 montrent que les courtes longueurs d'onde conviennent mieux aux hautes températures, tandis que les basses températures doivent plutôt être mesurées dans la gamme des ondes plus longues. Lorsque des objets transparents, comme le verre ou les films plastiques, doivent être mesurés, un filtre sélectif à bande étroite est nécessaire. Ainsi, le film de polyéthylène a une zone d'absorption CH de 3,43 μm, à laquelle il est opaque aux rayonnements IR. De même, de nombreux matériaux vitreux possèdent une zone opaque à environ 5 μm. Inversement, un capteur avec un filtre dans la plage jusqu'à 2 μm permet une mesure à travers une fenêtre en verre, par exemple pour les chambres à vide ou à pression. Une autre option pour la mesure dans des chambres avec des points de mesure étroits ou des températures ambiantes élevées consiste à utiliser des fibres optiques.
La mesure de température IR avec une longueur d'onde représente donc une technologie polyvalente et pourtant simple, suffisante dans de nombreuses applications où la régulation de la température du produit est essentielle pour une qualité de produit constante.
Mesure de rapport : mesure de la température à deux ou plusieurs longueurs d'onde
Étant donné que le facteur d'émission joue un rôle essentiel dans la mesure précise de la température à l'aide de thermomètres infrarouges ou que des milieux intermédiaires se trouvent sur le trajet du faisceau, il n'est pas surprenant que les chercheurs s'efforcent de développer des capteurs capables de mesurer la température indépendamment de ces influences perturbatrices. Une approche répandue et éprouvée à cet égard est la mesure proportionnelle ou multicolore. Au lieu de mesurer la quantité d'énergie absolue d'une longueur d'onde, cette méthode mesure le rapport de l'énergie à deux longueurs d'onde différentes. Le mot "mesure multicolore" provient de l'ancienne idée de relier les couleurs visibles à la température. Cette idée - et donc cette appellation - est aujourd'hui quelque peu dépassée, mais elle est toujours utilisée.
L'efficacité de ce concept repose sur le fait que les changements dans les propriétés de la surface de l'objet à mesurer ou les obstacles qui se trouvent dans le cône de vision par rapport à l'objet à mesurer sont perçus de la même manière par les deux détecteurs. Par conséquent, le rapport entre les signaux de sortie des capteurs reste le même, et donc la température mesurée également. La figure 9 montre la représentation simplifiée d'un pyromètre fonctionnant selon ce principe.
L'efficacité de ce concept repose sur le fait que les changements dans les propriétés de la surface de l'objet à mesurer ou les obstacles qui se trouvent dans le cône de vision par rapport à l'objet à mesurer sont perçus de la même manière par les deux détecteurs. Par conséquent, le rapport entre les signaux de sortie des capteurs reste le même, et donc la température mesurée également. La figure 9 montre la représentation simplifiée d'un pyromètre fonctionnant selon ce principe.
Abb. 9 Verhältnismessung
Dans les conditions décrites ci-dessus, la mesure du rapport plutôt que de la valeur absolue permet d'éviter les imprécisions dues à un facteur d'émission inconnu ou changeant. La mesure de la température est également correcte lorsqu'une partie du champ de vision est obstruée par des matériaux plus froids, tels que de la poussière, de la vapeur, des supports ou des fenêtres.
Tant que le milieu qui s'interpose entre l'objet et le capteur n'atténue pas sélectivement certaines longueurs d'onde, le rapport reste constant et, par conséquent, la température mesurée par le thermomètre également.
Ce procédé convient donc à des applications qui ne seraient pas ou difficilement résolues par d'autres techniques de mesure, par exemple la mesure de la température dans des fours à ciment ou la mesure à travers une fenêtre qui s'embue au cours du processus, comme c'est le cas pour la fusion sous vide de métaux. Il faut toutefois noter que ces changements dynamiques doivent être perçus de la même manière par les deux capteurs, c'est-à-dire que les changements doivent affecter toutes les longueurs d'onde de la même manière.
Bien entendu, cette méthode a également des limites dont il faut tenir compte. La mesure de rapport ne convient pas aux émetteurs colorés, comme l'aluminium par exemple. De même, elle ne peut pas être utilisée pour mesurer à travers des fenêtres dont la transmission change ou du Pyrex chaud. En outre, cette méthode a tendance à enregistrer et à mesurer les températures de l'arrière-plan si celles-ci sont supérieures à la température de l'objet mesuré.
Tant que le milieu qui s'interpose entre l'objet et le capteur n'atténue pas sélectivement certaines longueurs d'onde, le rapport reste constant et, par conséquent, la température mesurée par le thermomètre également.
Ce procédé convient donc à des applications qui ne seraient pas ou difficilement résolues par d'autres techniques de mesure, par exemple la mesure de la température dans des fours à ciment ou la mesure à travers une fenêtre qui s'embue au cours du processus, comme c'est le cas pour la fusion sous vide de métaux. Il faut toutefois noter que ces changements dynamiques doivent être perçus de la même manière par les deux capteurs, c'est-à-dire que les changements doivent affecter toutes les longueurs d'onde de la même manière.
Bien entendu, cette méthode a également des limites dont il faut tenir compte. La mesure de rapport ne convient pas aux émetteurs colorés, comme l'aluminium par exemple. De même, elle ne peut pas être utilisée pour mesurer à travers des fenêtres dont la transmission change ou du Pyrex chaud. En outre, cette méthode a tendance à enregistrer et à mesurer les températures de l'arrière-plan si celles-ci sont supérieures à la température de l'objet mesuré.
La figure 10 montre un exemple de différents produits dont le facteur d'émission varie en fonction de la température. Le graphite, par exemple, est souvent considéré spontanément comme ayant un facteur d'émission élevé et constant. Le contraire est vrai - le facteur d'émission augmente de 0,4 à 0,65 sur une plage de 20°C à 1100°C.
Pour les émetteurs multicolores, dont le facteur d'émission varie avec la longueur d'onde, il existe des thermomètres multicolores qui mesurent l'énergie de toute une série de longueurs d'onde. De telles applications sont précédées d'une analyse approfondie des caractéristiques de la surface du produit concerné. Ainsi, la relation entre le facteur d'émission, la température, la longueur d'onde et la chimie de la surface doit être étudiée. Ces données permettent d'élaborer des algorithmes qui établissent une relation pertinente entre l'émission à différentes longueurs d'onde et la température.
Si un milieu dont la taille des particules correspond à l'une des longueurs d'onde utilisées pour la mesure se trouve dans le champ de vision, le rapport est également faussé.
Malgré ces limites, la mesure du rapport fonctionne extrêmement bien dans un certain nombre d'applications. Dans certaines applications, cette méthode est la meilleure, voire la seule solution valable pour mesurer la température.
Pour les émetteurs multicolores, dont le facteur d'émission varie avec la longueur d'onde, il existe des thermomètres multicolores qui mesurent l'énergie de toute une série de longueurs d'onde. De telles applications sont précédées d'une analyse approfondie des caractéristiques de la surface du produit concerné. Ainsi, la relation entre le facteur d'émission, la température, la longueur d'onde et la chimie de la surface doit être étudiée. Ces données permettent d'élaborer des algorithmes qui établissent une relation pertinente entre l'émission à différentes longueurs d'onde et la température.
Si un milieu dont la taille des particules correspond à l'une des longueurs d'onde utilisées pour la mesure se trouve dans le champ de vision, le rapport est également faussé.
Malgré ces limites, la mesure du rapport fonctionne extrêmement bien dans un certain nombre d'applications. Dans certaines applications, cette méthode est la meilleure, voire la seule solution valable pour mesurer la température.
Abb. 10 Pour de nombreux matériaux, le facteur d'émission varie avec la température. Cette figure montre quelques matériaux usuels.
Résumé
La figure 11 montre encore une fois les éléments essentiels d'une application. L'aspect le plus important est la surface de l'objet à mesurer. Pour choisir l'instrument approprié, il faut tenir compte de la taille de l'objet à mesurer, de la plage de température, du facteur d'émission, de la sensibilité spectrale et du temps de réponse.
En outre, pour choisir l'instrument le mieux adapté, il faut également tenir compte des conditions ambiantes, par exemple la présence de flammes, de radiateurs IR, de fours à induction, ainsi que de la nature de l'atmosphère (poussière, fenêtres contaminées, fumée, chaleur, etc.).
En outre, pour choisir l'instrument le mieux adapté, il faut également tenir compte des conditions ambiantes, par exemple la présence de flammes, de radiateurs IR, de fours à induction, ainsi que de la nature de l'atmosphère (poussière, fenêtres contaminées, fumée, chaleur, etc.).
Abb. 11 Störeinflüsse
La mesure de température par infrarouge est une technologie sophistiquée qui est continuellement optimisée et adaptée à de nouvelles applications. Elle fait quotidiennement ses preuves dans les secteurs industriels les plus divers ainsi que dans la recherche. Si la technologie sous-jacente est bien comprise et que tous les paramètres d'application pertinents sont pris en compte, cette méthode de mesure donne généralement les résultats souhaités, à condition que l'instrument soit installé avec soin. Dans ce contexte, "soigneusement" signifie que le capteur fonctionne dans les limites de ses spécifications et que des précautions suffisantes ont été prises pour que l'optique soit exempte d'impuretés et de dépôts.
La disponibilité d'accessoires de protection et d'installation devrait donc être un critère de sélection d'un fabricant de thermomètres. Il faut également tenir compte de la mesure dans laquelle ces accessoires permettent un démontage rapide et, le cas échéant, un remplacement du capteur. Si ces directives sont respectées, les thermomètres infrarouges modernes fonctionnent dans de nombreux cas de manière plus fiable que les sondes à thermocouple ou Pt100.
La disponibilité d'accessoires de protection et d'installation devrait donc être un critère de sélection d'un fabricant de thermomètres. Il faut également tenir compte de la mesure dans laquelle ces accessoires permettent un démontage rapide et, le cas échéant, un remplacement du capteur. Si ces directives sont respectées, les thermomètres infrarouges modernes fonctionnent dans de nombreux cas de manière plus fiable que les sondes à thermocouple ou Pt100.