Principe, avantages et possibilités d'utilisation des nouveaux pyromètres panoramiques
Introduction
Les pyromètres détectent le rayonnement thermique sur la surface d'un objet à mesurer dans un champ de mesure défini et en déterminent la température. La taille et la forme du champ de mesure sont déterminées par les lentilles, la conception optique et les capteurs. Habituellement, en raison de la géométrie des lentilles, de l’iris et des capteurs, les appareils actuellement disponibles sur le marché ont une surface de mesure ronde. Sur la base d'une nouvelle conception optique et de lentilles de haute qualité, des appareils avec un champ de mesure rectangulaire sont désormais également proposés. L'article suivant explique la conception, le fonctionnement, les avantages et les possibilités d'utilisation des pyromètres à champ de mesure rectangulaire.
Mesure de la température d'objets en mouvement
L'idée de développer un pyromètre avec un champ de mesure rectangulaire a été créée il y a plus de 30 ans, car il existe des applications dans la pyrométrie sans contact qui peuvent être résolues d’une manière plus facile et surtout plus sûre. Un avantage essentiel de la mesure pyrométrique de la température par rapport à la mesure par contact est que les pyromètres sont idéaux pour détecter des objets en mouvement. La condition préalable est bien sûr que l'objet de la mesure se trouve dans le champ de mesure du pyromètre. Ceci devient problématique, comme le montre l'exemple d'une production de fil, que l'objet de la mesure vibre transversalement à la direction de production et ne remplit pas toujours le champ de mesure (figure 1).
Fig. 1 Tant que le fil oscille à l'intérieur du champ de mesure, une mesure correcte est possible.
Jusqu'à présent, pour résoudre les problèmes de mesure liés à de telles applications, des pyromètres à canal unique avec un très petit champ de mesure sont utilisés en combinaison avec un miroir pivotant qui est monté devant le pyromètre. Le miroir rotatif ou pivotant dévie périodiquement le spot de mesure. Un enregistrement de la valeur maximale dans le pyromètre permet d'enregistrer la température au moment où le spot de mesure est complètement rempli par l'objet. Outre l'inconvénient d'une mécanique en mouvement sujette aux perturbations, le temps de détection est limité. En raison du mouvement de balayage, la température de l'objet n'est pas enregistrée en continu, mais seulement de manière cyclique.
Par conséquent, il y a de nombreuses années, les fabricants ont testé des appareils générant un champ de mesure rectangulaire de manière purement optique. Une lentille cylindrique spéciale a écarté le champ de mesure dans la direction d'un axe, comme dans une armoire à miroirs. Sur le principe, ceci a permis de créer une solution. La répartition inégale de la sensibilité sur la surface de mesure du capteur s'est avérée être un problème. Le coût élevé de cette lentille spéciale représentait également un inconvénient. De plus, ces appareils ne pouvaient être utilisés qu’avec une distance de mesure fixe. Il en résulte 2 difficultés avec une image optique déformée dans la visée optique et un appareil donc difficile à aligner.
L'utilisation d'un champ de mesure rectangulaire est particulièrement intéressante en combinaison avec un pyromètre bichromatique. Un pyromètre bichromatique détecte le rayonnement thermique d'un objet à mesurer dans deux plages de longueurs d'onde différentes. Le quotient des deux luminances énergétiques monochromatiques change proportionnellement à la température. Ce principe de mesure permet à l'objet de la mesure d'être plus petit que le champ de mesure. Contrairement à un pyromètre à canal unique, la température correcte est toujours déterminée pour un objet de mesure chaud sur un fond froid.
Par conséquent, il y a de nombreuses années, les fabricants ont testé des appareils générant un champ de mesure rectangulaire de manière purement optique. Une lentille cylindrique spéciale a écarté le champ de mesure dans la direction d'un axe, comme dans une armoire à miroirs. Sur le principe, ceci a permis de créer une solution. La répartition inégale de la sensibilité sur la surface de mesure du capteur s'est avérée être un problème. Le coût élevé de cette lentille spéciale représentait également un inconvénient. De plus, ces appareils ne pouvaient être utilisés qu’avec une distance de mesure fixe. Il en résulte 2 difficultés avec une image optique déformée dans la visée optique et un appareil donc difficile à aligner.
L'utilisation d'un champ de mesure rectangulaire est particulièrement intéressante en combinaison avec un pyromètre bichromatique. Un pyromètre bichromatique détecte le rayonnement thermique d'un objet à mesurer dans deux plages de longueurs d'onde différentes. Le quotient des deux luminances énergétiques monochromatiques change proportionnellement à la température. Ce principe de mesure permet à l'objet de la mesure d'être plus petit que le champ de mesure. Contrairement à un pyromètre à canal unique, la température correcte est toujours déterminée pour un objet de mesure chaud sur un fond froid.
Conception et fonctionnement
Contrairement à la solution décrite ci-dessus avec une lentille cylindrique, dans le nouveau pyromètre panoramique, le champ de mesure rectangulaire est réalisé par un iris de haute précision positionné dans la branche de mesure du détecteur entre l’iris (3) et le miroir de déviation avec capteur (4) (figure 2). Les deux problèmes élémentaires ont ainsi été résolus. L'appareil ne nécessite pas de lentille de forme spéciale et l'objet mesuré est affiché net à la distance focale, comme d'habitude, dans la visée optique ou sur le moniteur pour les appareils équipés d'une caméra vidéo intégrée.
Fig. 2 Bloc-diagramme de la conception optique du pyromètre panoramique : Objet de la mesure (1), objectif interchangeable focalisable (2), iris (3), miroir de déviation et capteur (4), repère de champ de mesure (5), oculaire ou caméra vidéo (6)
Un autre avantage de cette nouvelle conception optique est que le marquage du champ de mesure dans le viseur ou sur le moniteur est affiché correctement à la fois dans la position exacte et dans la taille réelle du champ de mesure rectangulaire. C'est le seul moyen de vérifier et d'assurer un alignement correct des appareils.
Un autre défi optique a été résolu lors du développement du pyromètre panoramique. En raison d'erreurs d'imagerie optique et d'une distribution de sensibilité non homogène sur la surface de mesure, les pyromètres bichromatiques ont généralement la propriété que la position de l'objet à mesurer dans le champ de mesure exerce une influence notable sur la température mesurée. Dans la zone périphérique du champ de mesure, l'affichage peut augmenter de plus de 1 000 °C pour une température de l'objet de 30 °C (figure 3).
Il peut également y avoir des fluctuations dans l'affichage de la température avec les pyromètres bichromatiques conventionnels si le diamètre de l'objet de la mesure change en raison de la production et que le champ de mesure est rempli différemment.
Un autre défi optique a été résolu lors du développement du pyromètre panoramique. En raison d'erreurs d'imagerie optique et d'une distribution de sensibilité non homogène sur la surface de mesure, les pyromètres bichromatiques ont généralement la propriété que la position de l'objet à mesurer dans le champ de mesure exerce une influence notable sur la température mesurée. Dans la zone périphérique du champ de mesure, l'affichage peut augmenter de plus de 1 000 °C pour une température de l'objet de 30 °C (figure 3).
Il peut également y avoir des fluctuations dans l'affichage de la température avec les pyromètres bichromatiques conventionnels si le diamètre de l'objet de la mesure change en raison de la production et que le champ de mesure est rempli différemment.
Fig. 3 Élévation erronée de la température avec des pyromètres bichromatiques, lorsque l'objet chaud se trouve dans la zone périphérique du champ de mesure.
Afin de minimiser cet effet physique, des lentilles de précision ont été développées pour les systèmes optiques, qui possèdent d'une part une bonne propriété d'imagerie constante sur toute la surface de l'ouverture d'entrée (aberration sphérique minimale). En outre, les lentilles présentent une erreur longitudinale minimale de couleur (aberration chromatique) afin d'obtenir une image aussi nette pour les deux longueurs d'onde de mesure que pour la plage visible. En outre, la réalisation du pyromètre panoramique a nécessité le développement d'une conception optique avec des diaphragmes de précision et des capteurs de haute qualité. En conséquence, le nouveau pyromètre panoramique fournit une valeur de mesure constante, indépendamment de la position et du diamètre, par exemple, d'un fil dans le champ de mesure.
Possibilités optiques variées
La conception technique de l'appareil grâce à la conception modulaire des composants optiques et électriques offre également pour le pyromètre panoramique la possibilité de choisir parmi plusieurs objectifs interchangeables focalisables. En outre, différentes lentilles supplémentaires peuvent être vissées sur le filetage frontal de l'objectif respectif afin de réduire le champ de mesure. Il en résulte de nombreuses variantes d'imagerie optique à la fois en termes de distance de mesure souhaitée et de taille de champ de mesure requise (figure 4). Ainsi, même les fils à partir d'un diamètre de 0,1 mm peuvent être détectés.
Fig. 4 Conception modulaire du pyromètre avec système électronique, objectifs interchangeables et lentilles supplémentaires en option.
Alignement facile et haute sécurité de fonctionnement
L'alignement optique d'un pyromètre sur un petit objet à mesurer ou sur une grande distance de mesure nécessite un mécanisme d'ajustement de haute qualité. Il est évident que dans ces conditions, un appareil avec un spot de mesure rectangulaire peut être aligné beaucoup plus facilement (figure 5). Cet avantage est particulièrement perceptible avec un pyromètre portable lorsque l'opérateur tient l'appareil dans sa main lorsqu'il vise, car la largeur du champ de mesure rectangulaire est 2 à 3 fois supérieure à celle d'un appareil comparable avec un champ de mesure rond. Ceci garantit une manipulation et une détection de la température plus sûres.
Fig. 5 L'alignement du pyromètre panoramique avec un champ de mesure rectangulaire sur de petits objets et de grandes distances de mesure est très simple.
Fig. 6 Mesure sûre de la température même lorsque la position de la soudure est fluctuante.
Fig. 7 Mesure de la température lors de la coulée à l'aide d'un pyromètre panoramique portable.
Domaines d'application typiques
Dans les processus de production où la position et la taille de l'objet chaud peuvent changer ou dans les installations de traitement thermique où la zone de chauffage de la pièce varie, le pyromètre panoramique offre une plus grande sécurité de fonctionnement et est beaucoup plus facile à aligner. Comme un champ de mesure rectangulaire est plus large qu'un champ de mesure rond de même surface, le risque d'émigration du point chaud hors du champ de mesure est nettement moindre.
Un exemple typique est la production de tubes sans fin dans lesquels le matériau est plié et soudé. Le chauffage se fait par bobine d'induction. La position du petit point de soudure peut fluctuer, de sorte que dans les appareils conventionnels, la soudure peut parfois se trouver en dehors du champ de mesure et qu'aucune mesure n'est alors possible (figure 6).
Lors de la production de bouteilles en verre, la position et la forme de la paraison de verre sur les ciseaux changent. Ici aussi, le pyromètre panoramique mesure plus précisément. A cela s'ajoute l'influence de la température du matériau et de la couleur du verre partiellement transparent. Cette influence est considérablement réduite par la méthode de mesure bichromatique du pyromètre panoramique.
Dans les installations de tréfilage, le fil est soumis à un traitement thermique ultérieur. Le fil passe à travers une bobine d'induction à grande vitesse. Entre les rouleaux de guidage, une oscillation du fil est inévitable. Pour les fils minces, la capacité de fluctuation peut être plusieurs fois supérieure au diamètre du fil. Une mesure ponctuelle est quasiment impossible dans ces conditions.
La mesure manuelle de la température sans contact pour les métaux liquides lors de la coulée dans le moule se fait à une distance de sécurité. Avec un appareil conventionnel muni d’un champ de mesure rond, il est difficile d'aligner le pyromètre sur le jet de coulée, d'autant plus que la position du jet peut changer en fonction de l'angle d'inclinaison de la poche de coulée. Un appareil avec un champ de mesure rectangulaire est beaucoup plus facile à manipuler (figure 7).
La mesure de la température des plus petits objets, tels qu'un filament ou un élément chauffant dans un tube à rayons X, impose déjà aux appareils les exigences optiques les plus élevées. Jusqu'à présent, la plupart de ces applications ne pouvaient être résolues qu'avec ce que l'on appelle le pyromètre à comparaison d'intensité. Pour les appareils, la détection de la température est effectuée manuellement par un réglage visuel de la luminance énergétique d'un émetteur de référence interne à l'appareil et de l'objet à mesurer par l'opérateur.
La difficulté de l'utilisation d'appareils de mesure électronique résidait dans l'alignement mécanique des appareils sur des objets de mesure extrêmement petits. De telles tâches de mesure peuvent également être résolues beaucoup plus facilement avec le pyromètre panoramique.
Un exemple typique est la production de tubes sans fin dans lesquels le matériau est plié et soudé. Le chauffage se fait par bobine d'induction. La position du petit point de soudure peut fluctuer, de sorte que dans les appareils conventionnels, la soudure peut parfois se trouver en dehors du champ de mesure et qu'aucune mesure n'est alors possible (figure 6).
Lors de la production de bouteilles en verre, la position et la forme de la paraison de verre sur les ciseaux changent. Ici aussi, le pyromètre panoramique mesure plus précisément. A cela s'ajoute l'influence de la température du matériau et de la couleur du verre partiellement transparent. Cette influence est considérablement réduite par la méthode de mesure bichromatique du pyromètre panoramique.
Dans les installations de tréfilage, le fil est soumis à un traitement thermique ultérieur. Le fil passe à travers une bobine d'induction à grande vitesse. Entre les rouleaux de guidage, une oscillation du fil est inévitable. Pour les fils minces, la capacité de fluctuation peut être plusieurs fois supérieure au diamètre du fil. Une mesure ponctuelle est quasiment impossible dans ces conditions.
La mesure manuelle de la température sans contact pour les métaux liquides lors de la coulée dans le moule se fait à une distance de sécurité. Avec un appareil conventionnel muni d’un champ de mesure rond, il est difficile d'aligner le pyromètre sur le jet de coulée, d'autant plus que la position du jet peut changer en fonction de l'angle d'inclinaison de la poche de coulée. Un appareil avec un champ de mesure rectangulaire est beaucoup plus facile à manipuler (figure 7).
La mesure de la température des plus petits objets, tels qu'un filament ou un élément chauffant dans un tube à rayons X, impose déjà aux appareils les exigences optiques les plus élevées. Jusqu'à présent, la plupart de ces applications ne pouvaient être résolues qu'avec ce que l'on appelle le pyromètre à comparaison d'intensité. Pour les appareils, la détection de la température est effectuée manuellement par un réglage visuel de la luminance énergétique d'un émetteur de référence interne à l'appareil et de l'objet à mesurer par l'opérateur.
La difficulté de l'utilisation d'appareils de mesure électronique résidait dans l'alignement mécanique des appareils sur des objets de mesure extrêmement petits. De telles tâches de mesure peuvent également être résolues beaucoup plus facilement avec le pyromètre panoramique.
Limites métrologiques
En raison du principe de mesure bichromatique, le domaine d'application est limité aux applications avec des températures supérieures à 600 °C. Une autre limite est le degré d'éclairage partiel jusqu'auquel le pyromètre bichromatique est encore capable de former une valeur de mesure reproductible.
Cette valeur dépend, entre autres, de l'émissivité de l'objet de la mesure et de la température absolue. Au début de la plage de mesure, un pyromètre bichromatique peut déjà fournir une valeur de mesure fiable si l'énergie de rayonnement est de 10 % de la luminance énergétique d'un corps noir à la même température. Avec l'augmentation de la température de mesure, un affaiblissement encore plus important du signal est autorisé. L'émissivité, le degré d'éclairage partiel, la forme de l'objet de mesure et les influences perturbatrices telles que la vapeur, la poussière et la fumée dans le champ de mesure contribuent à cet affaiblissement. Prenons l'exemple d'un fil d'acier avec une émissivité de 0,6. Dans le cas d'un objet de mesure rond, il faut également tenir compte du fait que le rayonnement détecté par le pyromètre est émis en partie sous un angle très plat. De manière approximative, le facteur de sécurité de 1,5 est également pris en compte. Les formules suivantes permettent de calculer le degré d'éclairage partiel, la largeur du champ de mesure et la distance de mesure maximale.
Degré d'éclairage partiel = (intensité minimale du signal exploitable ÷ émissivité) × facteur de sécurité
Par rapport à l'exemple ci-dessus, le champ de mesure doit être rempli au moins à 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % pour que le pyromètre puisse déterminer une valeur de mesure. L'intensité du signal comme indicateur de la sécurité de la valeur mesurée peut être affichée sur l'écran du pyromètre.
Pour un diamètre de fil de 5 mm, il en résulte une largeur maximale du champ de mesure de 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm pour le début de la plage de mesure.
Pour un pyromètre panoramique, la résolution optique est indiquée par le rapport de distance (distance de mesure ÷ taille du champ de mesure) pour la largeur DW (width) et pour la hauteur DH (height). Par rapport à un rapport de distance de DW = 40 : 1, par exemple, il en résulte une distance de mesure maximale de 40 × 20 mm = 800 mm. Ou, en d'autres termes, avec une distance de mesure prévue de 500 mm, par exemple, un objectif avec un rapport de distance DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, c'est-à-dire ≥ 25 : 1, doit être utilisé pour que le champ de mesure soit suffisamment éclairé par l'objet à mesurer.
Le pyromètre panoramique peut également être utilisé de telle sorte que le champ de mesure soit aligné longitudinalement par rapport à l'objet. Ainsi, le pyromètre détecte une plus grande surface de l'objet par rapport à un appareil avec un champ de mesure rond, si bien qu'il peut être utilisé pour des fils d'un diamètre à partir de 0,1 mm.
Cette valeur dépend, entre autres, de l'émissivité de l'objet de la mesure et de la température absolue. Au début de la plage de mesure, un pyromètre bichromatique peut déjà fournir une valeur de mesure fiable si l'énergie de rayonnement est de 10 % de la luminance énergétique d'un corps noir à la même température. Avec l'augmentation de la température de mesure, un affaiblissement encore plus important du signal est autorisé. L'émissivité, le degré d'éclairage partiel, la forme de l'objet de mesure et les influences perturbatrices telles que la vapeur, la poussière et la fumée dans le champ de mesure contribuent à cet affaiblissement. Prenons l'exemple d'un fil d'acier avec une émissivité de 0,6. Dans le cas d'un objet de mesure rond, il faut également tenir compte du fait que le rayonnement détecté par le pyromètre est émis en partie sous un angle très plat. De manière approximative, le facteur de sécurité de 1,5 est également pris en compte. Les formules suivantes permettent de calculer le degré d'éclairage partiel, la largeur du champ de mesure et la distance de mesure maximale.
Degré d'éclairage partiel = (intensité minimale du signal exploitable ÷ émissivité) × facteur de sécurité
Par rapport à l'exemple ci-dessus, le champ de mesure doit être rempli au moins à 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % pour que le pyromètre puisse déterminer une valeur de mesure. L'intensité du signal comme indicateur de la sécurité de la valeur mesurée peut être affichée sur l'écran du pyromètre.
Pour un diamètre de fil de 5 mm, il en résulte une largeur maximale du champ de mesure de 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm pour le début de la plage de mesure.
Pour un pyromètre panoramique, la résolution optique est indiquée par le rapport de distance (distance de mesure ÷ taille du champ de mesure) pour la largeur DW (width) et pour la hauteur DH (height). Par rapport à un rapport de distance de DW = 40 : 1, par exemple, il en résulte une distance de mesure maximale de 40 × 20 mm = 800 mm. Ou, en d'autres termes, avec une distance de mesure prévue de 500 mm, par exemple, un objectif avec un rapport de distance DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, c'est-à-dire ≥ 25 : 1, doit être utilisé pour que le champ de mesure soit suffisamment éclairé par l'objet à mesurer.
Le pyromètre panoramique peut également être utilisé de telle sorte que le champ de mesure soit aligné longitudinalement par rapport à l'objet. Ainsi, le pyromètre détecte une plus grande surface de l'objet par rapport à un appareil avec un champ de mesure rond, si bien qu'il peut être utilisé pour des fils d'un diamètre à partir de 0,1 mm.
Versions de l'appareil
Des appareils à système optique panoramique sont proposés pour la série d'appareils fixes CellaTemp PA et pour la série portable CellaTemp PT. Les deux versions disposent d'une visée optique pour l'alignement et le réglage de la mise au point de l'appareil. Le CellaTemp PA fixe est également disponible avec une caméra vidéo couleur. Ainsi, l’alignement et le champ de vision de l'objet peuvent être surveillés à tout moment sur le moniteur au poste de contrôle. En plus du marquage du champ de mesure, la valeur mesurée et le numéro du point de mesure sont transmis via le signal vidéo et affichés sur l'écran du moniteur. Grâce à la fonction spéciale TBC (Target Brightness Control/contrôle de la luminosité de la cible) de l'appareil photo, l'intensité n'est détectée que dans le champ de mesure pour le contrôle de l'exposition et non sur l'ensemble du champ de vision de l'appareil photo comme d'habitude. Ceci permet d'afficher un petit objet à mesurer chaud sur un fond froid avec une luminosité optimale et sans surcontrôle de l'objet sur l'écran du moniteur.
Depuis peu, deux versions de la série de pyromètres compacts CellaTemp PKL avec système optique panoramique sont également proposées (figure 8). Pour contrôler l’alignement, les appareils disposent d'un pointeur LED. Étant donné que la lumière éclaire la largeur réelle du champ de mesure en plus de la position, l'appareil peut être aligné très facilement et avec précision sur l'objet à mesurer.
Fig. 8 Pyromètre panoramique compact avec pointeur LED.
Conclusion
Pour les processus thermiques et les températures à partir de 600 °C, le nouveau pyromètre panoramique est clairement supérieur aux appareils précédents à champ de mesure rond, si l'alignement est difficile sur de petits objets ou à de grandes distances de mesure ou si le hot spot, c'est-à-dire le point chaud à détecter, n'est pas fixe. Les coûts supplémentaires d'environ 25 % sont certainement de l'argent bien investi en raison de la plus grande sécurité de fonctionnement.