Pyromètre à quotient

Les pyromètres à quotient sont devenus incontournables dans les applications actuelles de thermomètres infrarouges. L'article suivant explique les principes physiques, les avantages, les possibilités fonctionnelles et analytiques ainsi que les limites de la pyrométrie à quotient. Des domaines d'application typiques sont présentés à l'aide d'applications pratiques.

Un pyromètre à quotient détecte le rayonnement thermique d'un objet à mesurer dans deux gammes de longueurs d'onde différentes. Le quotient des deux luminances spectrales φ varie approximativement proportionnellement à la température. L'émissivité ε de la surface de mesure pour les deux longueurs d'onde est liée aux radiances spectrales (figure 1).

Afin de limiter l'influence de l'émissivité de la surface de mesure en fonction de la longueur d'onde, on choisit des plages de longueurs d'onde proches les unes des autres. Mais cela signifie d'autre part que les deux densités de rayonnement ne se distinguent guère. Le quotient de deux valeurs presque identiques ne varie que très peu en fonction de la température de l'objet. C'est pourquoi la plus petite température mesurable d'un pyromètre à quotient est limitée à 300 °C environ. Pour pouvoir évaluer ces petites variations de signal, il faut une amplification importante. La qualité des capteurs, des amplificateurs électroniques et des convertisseurs A/N doit donc répondre à des exigences très élevées afin d'obtenir un rapport signal/bruit élevé ou une faible NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) et donc la haute résolution de température nécessaire à une mesure précise. Pour contrôler le NETD, il faut faire fonctionner l'appareil au début de la plage de mesure avec le temps de réglage le plus court tout en vérifiant la stabilité du signal de mesure.

Le grand avantage de la méthode de mesure par quotient est que la température correcte est déterminée en cas d'affaiblissement du signal indépendant de la longueur d'onde. Si, par exemple, un verre-regard encrassé ou de la vapeur, de la fumée ou de la poussière dans le champ de vision du pyromètre provoque une atténuation du signal, le quotient et donc la température affichée restent constants.

Si les émissivités ε1 = ε2 (émetteur gris) sont identiques pour les deux longueurs d'onde, le terme de l'émissivité dans l'équation se raccourcit et le pyromètre à quotient indique la vraie température indépendamment de l'émissivité de l'objet à mesurer. Même si l'émissivité de l'objet à mesurer varie dans la même mesure pour les deux longueurs d'onde, cela n'a aucune influence sur le résultat de la mesure. Les écarts par rapport à la température réelle dus à des différences constantes entre les deux émissivités peuvent être corrigés en réglant le rapport d'émissivité sur le pyromètre.

Mais comment se comporte un pyromètre à quotient lorsque, lors de la mesure sur un émetteur dit coloré, l'émissivité varie différemment pour les deux longueurs d'onde en raison de la surface ou en fonction de la température ?

Le même effet sélectif se produit lorsque des dépôts en couches minces (par exemple des films d'huile ou des vaporisations) modifient la transmission du hublot en fonction de la longueur d'onde. La méthode du quotient n'est pas non plus totalement indépendante des propriétés radiatives de l'objet à mesurer, comme on peut parfois le lire dans la littérature.

Les trois exemples du tableau 1 permettent de mettre en évidence la différence d'influence en cas d'affaiblissement en fonction du degré d'émission pour la méthode de mesure spectrale et la méthode du quotient. Par rapport à une température de 800 °C d'un "émetteur noir" avec un degré d'émission ε = 1, il résulte de la loi de Planck sur le rayonnement pourr un pyromètre à quotient avec λ1 = 0,95 μm et λ2 = 1,05 μm pour une modification différente des émissivités liées à la longueur d'onde, les valeurs de température suivantes (voir tableau 1).

On voit clairement la diminution de l'affichage des températures spectrales pour le verre de protection (1). En revanche, la valeur du quotient reste pratiquement constante. Pour le verre feuilleté de qualité inférieure (2), les spectres baissent encore plus fortement et de manière différente. Cela entraîne également un écart de mesure considérable pour le quotient.

Pour les pyromètres à quotient, il faut donc absolument veiller, lors de la mesure à travers des hublots, à ce que les verres possèdent une courbe de transmission neutre dans la plage de longueurs d'onde du pyromètre. Ceci peut être vérifié de manière très simple en tenant un verre devant le pyromètre pendant la mesure. La température du quotient ne doit pas varier beaucoup.

Un autre grand avantage de la pyrométrie à quotient est que les objets mesurés peuvent être plus petits que le champ de mesure. Avec un pyromètre spectral, l'objet de mesure doit toujours être plus grand que le champ de mesure, car un pyromètre spectral enregistre la valeur moyenne du rayonnement dans l'ensemble du champ de mesure. Dans le cas contraire, un petit objet de mesure placé devant un fond froid donnera toujours une température trop basse.

Si le champ de mesure d'un pyromètre à quotient n'est pas entièrement éclairé par l'objet à mesurer (effet d'éclairage partiel), cela agit comme un affaiblissement neutre du rayonnement infrarouge. C'est pourquoi un pyromètre à quotient fournit des valeurs de mesure correctes, même si l'objet est jusqu'à 80 % plus petit que le champ de mesure du pyromètre. Le degré d'illumination partielle minimale dépend de l'émissivité et de la température de l'objet à mesurer. Idéalement, la position de l'objet dans le champ de mesure devrait être quelconque et ne pas influencer la valeur de température affichée. Il existe toutefois de grandes différences de qualité entre les appareils proposés sur le marché. Avec les pyromètres dotés d'une structure optique simple, d'une correction moindre des aberrations optiques de la lentille d'objectif et de capteurs à distribution de sensibilité non homogène, la valeur mesurée peut augmenter de 20 à 30 °C à température d'objet constante si, par exemple, un fil chaud se trouve au bord du champ de mesure (figure 5).

Un autre avantage pour la mesure de petits objets est qu'un pyromètre à quotient est nettement moins sensible à l'alignement optique et à la mise au point correcte. En revanche, un pyromètre spectral doit être aligné et focalisé très précisément sur l'objet à mesurer afin d'éviter les erreurs de mesure lorsque l'objet à mesurer est à peine plus grand que le champ de mesure.

La courbe de mesure suivante (figure 6) a été enregistrée à l'aide d'un pyromètre à quotient avec un champ de mesure de Ø8 mm sur un objet de mesure de Ø8 mm également. Une température spectrale a été enregistrée en parallèle. La distance focale fixe était de 500 mm (point de mesure 1). La distance de mesure a ensuite été réduite à 250 mm (point de mesure 2). La défocalisation n'a que peu d'influence sur la température du quotient, alors que la température spectrale varie d'environ 20 °C. La distance de mesure a ensuite été réglée à 1000 mm (point de mesure 3). Le champ de mesure du pyromètre est alors deux fois plus grand que l'objet à mesurer. Une fois de plus, la température du quotient reste pratiquement au même niveau. En revanche, la valeur spectrale diminue fortement en raison de la défocalisation et de l'éclairage partiel.

Lors de la mesure de la température des tôles et des brames dans la cage de laminoir, la question de la méthode de mesure à recommander, spectrale ou quotient, se pose régulièrement en raison des conditions extrêmes (figure 7).

Pour des raisons de construction et de chaleur, les appareils sont montés à une grande distance de mesure de plusieurs mètres. En utilisant une optique standard avec une résolution optique de 100:1 par exemple, on obtient un diamètre de champ de mesure à 20 mètres de distance de 200 mm. La répartition de la température sur la brame est extrêmement inhomogène en raison de la calamine. Avec un pyromètre spectral, la température est déterminée à partir de la moyenne de l'ensemble des rayonnements reçus dans le champ de mesure. La valeur mesurée dépend donc de la répartition de la température et de la calamine. Comme la brame se déplace sur le convoyeur à rouleaux, cela entraînerait une valeur de mesure fluctuante si le signal n'était pas filtré. Les fabricants de pyromètres recommandent donc d'utiliser dans ces conditions un pyromètre avec une résolution optique très élevée (> 200 : 1) afin d'obtenir un champ de mesure aussi petit que possible. La mémoire de la valeur maximale permet de détecter la température la plus élevée aux endroits sans calamine.

Comment réagit cependant un pyromètre à quotient à une répartition non homogène de la température dans le champ de mesure ? Le comportement d'un pyromètre à quotient est plus complexe en cas de répartition inhomogène de la température. Il dépend de la surface totale des "points chauds" et des différences de température entre les points chauds et les points froids dans le champ de mesure. En raison de l'effet d'éclairage partiel décrit, un pyromètre à quotient détermine la température du point le plus chaud du champ de mesure à condition que la différence de température entre les zones chaudes et froides soit significative et supérieure à 200 °C.

Lors de la mesure sur une brame, plusieurs points chauds peuvent apparaître dans le champ de mesure en raison de la calamine. Si la différence de température est faible, le pyromètre à quotient détermine également la température à partir de la valeur moyenne du rayonnement reçu. C'est pourquoi il est également recommandé d'utiliser des appareils à haute résolution optique et à bonne qualité d'image pour minimiser l'influence des inhomogénéités grâce à la saisie des valeurs maximales.

Dans la mesure où il faut s'attendre à de la vapeur d'eau et à des salissures lors du processus de laminage à chaud, il est préférable d'utiliser un pyromètre à quotient. L'utilisation de la surveillance de l'encrassement du pyromètre à quotient permet en outre d'augmenter la sécurité de fonctionnement de l'enregistrement des valeurs de mesure.

La thématique de la mesure de la température d'objets plus froids à l'intérieur d'un four chaud est souvent discutée. Des pièces forgées froides sont placées dans des fours chauds pour être chauffées ou des brames froides traversent les différentes zones de chauffage d'un four poussant. Le pyromètre indique toujours une température trop élevée en raison du rayonnement de fond élevé de la paroi chaude du four, qui est réfléchi par l'objet à mesurer et donc également détecté par le pyromètre. Plus la température de la pièce à usiner se rapproche de celle du four, plus l'effet perturbateur est faible. La solution la plus efficace pour éliminer le rayonnement de fond est d'utiliser des tubes de visée refroidis à l'eau. Toutefois, cela implique des coûts d'investissement et d'exploitation permanents élevés. De plus, l'installation d'un tube à l'intérieur d'un four qui dépasse presque jusqu'à la pièce pourrait être difficile ou impossible pour des raisons de construction.

C'est pourquoi les appareils sont souvent utilisés sans tube de visée, sachant pertinemment que la mesure est plus ou moins erronée. L'influence du rayonnement de fond peut être réduite si la température du fond de rayonnement est enregistrée séparément à l'aide d'un thermocouple ou d'un deuxième pyromètre et si le rayonnement parasite réfléchissant est corrigé par calcul dans le pyromètre. Cette correction peut être entachée d'une incertitude, notamment lorsque l'émissivité de l'objet est faible, fluctuante ou n'est pas connue avec précision.

Si, pour des raisons physiques, la règle générale est de "mesurer les ondes les plus courtes possibles" pour les objets métalliques afin de réduire au maximum l'influence de l'émissivité, cette considération est exactement inversée pour la mesure d'objets plus froids dans une atmosphère chaude.

Le rayonnement de fond a moins d'impact sur un instrument mesurant des ondes plus longues. D'autre part, avec une sensibilité spectrale plus longuement ondulée, l'émissivité ε des métaux est plus petite et donc le coefficient de réflexion σ plus grand (ε + σ = 1). Cela entraîne à son tour une plus grande dépendance de l'influence perturbatrice du rayonnement chaud du four lorsque l'émissivité varie. Les fabricants recommandent donc d'utiliser des appareils dont la sensibilité spectrale se situe entre 1 et 2 μm afin d'obtenir ici le meilleur compromis.

Ici aussi, la question se pose de savoir comment un pyromètre à quotient se comporte lors de la mesure d'objets plus froids dans une atmosphère chaude. En principe, un pyromètre à quotient se comporte de manière comparable à un pyromètre spectral. Il détecte aussi bien le rayonnement de l'objet que le rayonnement réfléchi par la paroi du four. Un pyromètre à quotient réagit de manière moins sensible en cas d'encrassement du hublot ou de présence de poussière ou de fumée dans le champ de vision du pyromètre. La réaction aux changements d'émissivité est extrêmement dépendante des conditions locales et donc difficile à estimer. Lors de la mise en service ou de manière permanente, il est recommandé d'enregistrer et d'évaluer en parallèle les températures du quotient et les températures spectrales afin de pouvoir réaliser d'éventuelles analyses. Les pyromètres à quotient modernes offrent à cet effet deux sorties analogiques permettant de saisir les valeurs de mesure du quotient et d'une température spectrale directement par la commande. Un autre avantage du pyromètre à quotient est la possibilité d'évaluer l'intensité du signal comme indice de la caractéristique de rayonnement de l'objet à mesurer (figure 8).

En raison des conditions de mesure extrêmes dues à la poussière, à la vapeur et à la fumée, les pyromètres à quotient sont avantageux du point de vue de la mesure et de la sécurité pour une utilisation dans les centrales électriques et les incinérateurs. Un pyromètre détecte le rayonnement des objets dans le champ de mesure. Dans une installation de combustion, l'énergie reçue est émise aussi bien par les particules chaudes dans le flux d'air que par la paroi opposée. La valeur mesurée dépend alors de la densité des particules, de la non-homogénéité de la répartition de la température et de la température de la paroi opposée. Si la paroi est nettement plus froide que les particules dans le flux d'air grâce aux tubes de l'échangeur de chaleur, un pyromètre spectral enregistre une température trop basse et fluctuante en fonction de l'état de charge en raison de la formation de la valeur moyenne. Ici encore, l'avantage du pyromètre à quotient en ce qui concerne l'effet d'éclairage partiel et la saisie de la valeur maximale entre en jeu. Par rapport aux thermocouples habituellement utilisés, les pyromètres à quotient constituent donc une véritable alternative, car ils ne sont pas soumis à l'usure ou à une dérive liée à l'âge. Toutefois, les pyromètres à quotient sont très sensibles aux flammes dans le champ de vision. Il faut absolument en tenir compte lors du choix de l'emplacement de montage.

La fiabilité de la mesure peut être vérifiée en affichant l'intensité du signal. En raison des ouvertures de four souvent petites, d'un diamètre de 20 à 30 mm et d'une épaisseur de paroi de 200 à 400 mm, il convient d'utiliser des appareils à haute résolution optique avec de bonnes propriétés d'imagerie afin d'éviter un rétrécissement du champ de mesure. De même, l'axe géométrique et l'axe optique doivent être identiques et donc l'appareil exempt de parallaxe afin d'exclure tout "strabisme" de l'appareil. Selon l'équipement souhaité et l'accessibilité du lieu de montage, on utilise des appareils compacts ou des pyromètres avec une aide à la visée sous la forme d'une optique de transparence ou d'une caméra vidéo, afin de pouvoir vérifier facilement et rapidement l'alignement et l'ouverture de vue libre lors de la mise en service et en cours de fonctionnement.

Du point de vue de la sécurité, il est également recommandé d'utiliser la surveillance de l'encrassement des pyromètres à quotient afin de générer automatiquement une alarme en cas d'encrassement trop important ou de croissance de l'ouverture du four.

Les boulons passent par un four de chauffage avant d'être ensuite pressés pour former des raccords. Pour obtenir une qualité constante, la température doit être contrôlée. Dans les installations de chauffage par induction, on utilise généralement des pyromètres pour mesurer en quelques millisecondes et à une distance sûre la température de la pièce qui passe juste derrière le four à induction. La température est utilisée comme grandeur de régulation pour le contrôle du processus et pour éliminer les goujons dont la température se situe en dehors de la plage autorisée (figure 9).

Des pyromètres spectraux et des pyromètres à quotient sont utilisés pour mesurer la température. Les appareils sont montés à des distances plus importantes de 600 à 1200 mm. La condition impérative est une aide à la visée sous la forme d'une optique de transparence ou d'une lumière pilote. C'est le seul moyen de régler la distance focale correcte et l'orientation exacte afin de minimiser les éventuelles erreurs de mesure dues à des influences optiques.

La conception de la machine ne permet pas toujours de respecter exactement la distance focale, en particulier pour les appareils à distance focale fixe. Lorsque les appareils sont montés de manière fixe et que le diamètre des boulons varie, la distance de mesure change de toute façon, de sorte que les appareils ne sont parfois pas utilisés à la distance focale.

Comme le montre la pratique, la distance de mesure des appareils à optique focalisable n'est souvent pas réglée correctement. Un réajustement en cas de modification du diamètre des boulons n'est guère effectué, de sorte que ces appareils sont toujours utilisés en dehors de la zone de mise au point.

Un pyromètre à quotient réagit de manière beaucoup moins sensible, jusqu'à certaines limites, aux modifications de la distance de mesure, du diamètre du boulon ou lorsque les appareils fonctionnent en dehors de la zone focale, comme décrit au début, et présente donc un avantage par rapport à un pyromètre spectral pour de telles applications.

C'est pourquoi il est recommandé d'utiliser ici des pyromètres à quotient compacts avec lumière pilote (figure 10), afin de répondre de manière optimale aux deux exigences essentielles de la tâche de mesure, à savoir a) une mesure sûre et largement indépendante de la distance et b) un contrôle simple de l'alignement.

Pour les processus de production avec des températures supérieures à 300 °C, les pyromètres à quotient avec les avantages décrits sont plus qu'une alternative pour obtenir des valeurs de mesure sûres et stables en raison de l'environnement et de la construction. Le surcoût d'environ 30 % par rapport à un pyromètre spectral comparable en termes d'équipement est de l'argent bien investi et est rapidement refinancé par la diminution des contrôles manuels et la réduction de la production de pièces défectueuses. Dans des conditions de mesure extrêmes dues à une forte vapeur, à la saleté et à la poussière, les avantages métrologiques du pyromètre à quotient sont clairement mis en évidence. Dans les applications où l'émissivité des objets à mesurer peut varier, il est recommandé de vérifier la fiabilité de la mesure lors de l'utilisation du procédé de mesure à quotient.

Les fabricants d'appareils ne peuvent que recommander d'utiliser les possibilités supplémentaires de protection et d'analyse offertes par le pyromètre à quotient afin d'augmenter la sécurité des processus et d'obtenir des informations sur les températures supplémentaires.