Chapitre 5 -Pyrométrie

Chapitre 5 -Pyrom Pyrométrie trie
Mesure de température temp rature sans contact
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1-Grandeur Grandeur thermométrique
thermom trique
La luminance
Un corps de température temp rature T a une luminance totale qui
dépend pend de sa température temp rature : M = εσ T4 et M = π L
Pyromètre Pyrom tre à rayonnement total
La luminance monochromatique
Le rayonnement émis mis par un corps est composé compos de
différentes diff rentes longueurs d’ondes. d ondes.
La proportion de chaque longueur d’onde d onde dépend d pend de la
température temp rature T du corps qui émet. met.
Pyromètre Pyrom tre à disparition de filament
Pyromètre Pyrom tre bichromatique
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2 - Principe
Capter une partie du rayonnement émis mis par l’objet. l objet.
Faire des corrections pour soustraire les rayonnements
parasites (cf ( cf 4).
Analyser le rayonnement capté. capt
En déduire d duire la température temp rature de l’objet. l objet.
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3 - Mise en oeuvre
Domaine de température temp rature : -100 100 °C C à 5 000 °C C
Absence de contact entre source et détecteur d tecteur
mise en œuvre uvre à distance
corps en mouvement
corps sous vide
Mesure de la température temp rature de surface
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4 - Les sources d’erreurs d erreurs
Difficulté Difficult de l’interpr l interprétation tation du signal car
émissivit missivité ε de la source inconnue.
problème probl me pour différencier diff rencier le flux rayonné rayonn et le flux réfl r fléchi chi par la source.
• Or, seul le flux rayonné rayonn est caractéristique caract ristique de sa température.
temp rature.
Gène ne due à l’atmosph atmosphère re
Extinction du rayonnement
• par diffusion
• par absorption
• Fumées, Fum es, poussières, poussi res, plasma, vapeur,
• hublot sale… sale
Turbulence atmosphérique.
atmosph rique.
Emission d’un d un rayonnement par l’atmosph l atmosphère. re.
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Cible à mesurer
réflexions
Energie rayonnée par
l’environnement
absorption
Pyromètre
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5-Pyrom Pyromètres tres optiques
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5-1 1 Température Temp rature de luminance
Soit une source
De température temp rature T S à déterminer terminer
D’émissivité monochromatique ε λ
Un filtre permet de sélectionner s lectionner la longueur d’onde d onde λ.
La température temp rature de luminance est la température temp rature du
corps noir, notée not e T L, , ayant la même luminance
monochromatique que la source.
On démontre d montre :
1 1
= +
Ts TL C 2
λ
ln
ε λ
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Thermo spot (Téfal ( fal)
« Thermo-Spot Thermo Spot est un indicateur de chaleur permettant de
réaliser aliser une cuisson sûre s re et idéale id ale à chaque fois
Indicateur rond, intégr int gré au coeur de votre poêle, il devient
uniformément uniform ment rouge lorsque la température temp rature idéale id ale de cuisson
est atteinte »
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Source
T S
Pyromètre Pyrom tre à disparition de filament
Domaine d’utilisation d utilisation : 700 °C C

L’op opérateur rateur fait varier l’intensit l intensité électrique lectrique I qui
circule dans le filament.
La température temp rature de luminance T L du filament varie.
Sa luminance monochromatique varie.
L’op opérateur rateur arrête lorsque les luminances
monochromatiques du filament et de la source sont
identiques
Il relève rel ve la température temp rature du filament, appelée appel e température temp rature de
luminance T L
Il en déduit d duit la température temp rature de la source T S .
NB : ελ de la source doit être connue.
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5-2 2 Température Temp rature de radiance
C’est est la température temp rature du corps noir, notée not e T R, ,
émettant mettant le même flux total que la source, cad ayant
la même luminance que la source.
On démontre d montre :
T
S
T
=
R
ε
1 /
4
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Pyromètre Pyrom tre à rayonnement total
Même principe que le pyromètre pyrom tre à disparition de filament
mais sans filtre.
Détecteurs tecteurs :
thermocouple, thermistance ou bolomètre bolom tre
-100 100 °C C < T< 600 °C
Avantages : peu cher
Inconvénients Inconv nients :
connaissance précise pr cise de l’é l’émissivit
missivité ε de la source.
parasites atmosphériques.
atmosph riques.
nombreuses corrections.
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5-3 3 Température Temp rature de couleur
2 filtres sélectionnent s lectionnent 2 longueurs d’ondes d ondes : λ1 et λ2. Le rapport des flux rayonnés rayonn s par la source à ces 2 longueurs d’ondes d ondes
est évalu valué.
La température temp rature de couleur T C est celle du corps noir pour lequel le
rapport est le même.
1 1 1
− = −
TC TS
⎛ 1 1
C 2 ⎜ −
⎝ λ λ
2 1
la température temp rature de la source T S est égale gale à TC, , si l’é l’émissivit
missivité de la
source ne varie pas entre λ1 1 et λ2 : corps gris.
⎞
⎟
⎠
ln
ε
ε
λ
λ
2
1
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Pyromètre Pyrom tre bichromatique
700 °C C < T < 3 000 °C
Détecteur tecteur : silicium.
Sensibilité Sensibilit maximale pour Δλ petit.
En général g ral λ1=0,85 =0,85 µm m +/- +/ 0,15µm 0,15
λ2 = 1,1 µm m +/-0,10 +/ 0,10µm
Avantage :
très tr s faible influence des perturbations et absorption diverses.
C’est est le pyromètre pyrom tre qui donne la meilleure estimation de la
température temp rature de la source, dans le cas d’une d une surface opaque
(τ = 0).
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6-Thermographie Thermographie IR
Sur Terre : -50 50°C C λmax max > 1,27 µm m (1 270 nm)
Rayons gamma Rayons X UV IR Micro ondes Ondes radar Ondes radio
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Coût Co t :
Objet
6 000 à …. . 25 000 euros
Module
optique
6-1-Appareillage
Appareillage
détecteur
Module
électronique
(traitement du
signal)
visualisation
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6-2-Application Application de la thermographie I.R.
thermographie médicale m dicale
cartographie aérienne a rienne
géologie ologie
météo
pollution
surveillance ligne HT (EDF)
détection tection de points chauds dans
les constructions mécaniques, m caniques, bâtiments…
bâtiments
• RDM : contraintes mécaniques
m caniques
• isolation thermique, chauffage
châssis électroniques
lectroniques
militaire, pompiers aux USA
maintenance, contrôle :
militaire, pompiers aux USA
maintenance, contrôle :
industrie automobile
armoires électriques lectriques
corrosion
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6-3 3 Détecteur D tecteur : le Bolomètre Bolom tre
le rayonnement incident est absorbé absorb par un élément ment sensible
semi-conducteur,
semi conducteur,
ruban de Pt, Ni, Bi,
V2O5, , du poly-Si poly ou du poly
Si ou du poly-SiGe SiGe. .
Cette absorption d‘é d‘énergie
nergie provoque un échauffement chauffement du
composant
et, par suite, une modification de sa résistance r sistance électrique. lectrique.
Un circuit électronique lectronique mesure les variations de résistances
r sistances
électriques. lectriques.
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Micro-bolom
Micro bolomètres tres
association des éléments ments détecteurs d tecteurs thermiques
avec un circuit intégr int gré
taille d’un d un détecteur~50
d tecteur~50 µm
une matrice de détecteurs d tecteurs : 160x120 pixels à 1024x1024
pas de refroidissement : Tamb amb : gain de place et poids
gain en consommation électrique lectrique : batterie peu
encombrante
bande 8 -12 12 µm
Matrices de détecteurs
bolométriques infrarouge non
refroidis
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6-4 4 Module optique
Choix des matériaux mat riaux pour l’optique l optique IR :
propriétés propri s physico-chimiques
physico chimiques
• tenue mécanique m canique : grande dureté duret
• inertie chimique face à
la corrosion
l’acidit acidité
la pollution : composés compos s azotés azot s et soufrés soufr
pas d’affinit d affinité pour l’eau l eau : H 2O O absorbe le rayonnement IR.
• faible dilatation thermique
Propriétés Propri s optiques
• facteur de transmission élev levé
le verre ne convient pas pour l’optique l optique IR car son coefficient
d’absorption absorption α est important dans l’IR. l IR.
• faible diffusion interne
• faible émissivit missivité.
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Matériaux Mat en transmission :
riaux en transmission :
silicium, germanium
fluorine, saphir
Matériaux Mat riaux en réflexion r flexion :
métaux taux polis : Al, Ag, Au, Cu
• sur des supports à faible dilatation thermique
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6-5 5 Performances
Mesures absolues de T à + ou - 1°C C (pas vraiment adapté) adapt
Comparaison entre 2 objets identiques (même émissivit missivité)
Résolution solution : 1/10 °C C en différence diff rence de température
temp rature
Diagnostic
Deux fenêtres de travail :
Ondes courtes : 2 - 5 µm
Ondes longues : 8 - 12 µm m (détecteur (d tecteur micro-bolom
micro bolomètre) tre)
Réglage glage de l’é l’émissivit
missivité
Etalonnage annuel
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7-Que Que retenir de la pyrométrie pyrom trie ?
Grandeur thermométrique thermom trique :
luminance (monochromatique)
Domaine de température
temp rature
-100
700
Pyromètre à rayonnement total
température de radiance
5 000
Pyromètre à disparition de filament
température de luminance
Pyromètre bichromatique
température de couleur
Caméra Infra-Rouge
Détecteur : matrice de micro bolomètres
T en °C
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Φ
Fenêtre IR
Cellule de Golay
température temp rature de la sonde augmente
dilatation du gaz interne
déformation formation de la membrane
déplacement placement mesuré mesur par
méthode thode optique : miroir
méthode thode électrique lectrique : un métal m tal constitue une des 2
électrodes lectrodes d’un d un condensateur => mesure de C=εS C= / e
gaz
Sonde ; élément absorbant
Miroir ou métal
membrane
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6-Détecteurs tecteurs photoniques
Ils reposent sur des interactions entre des photons et
un semi-conducteur.
semi conducteur.
Avantages
Très Tr s sensibles.
Inconvénients
Inconv nients
Nécessitent cessitent module de refroidissement.
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7-Choix Choix du détecteur d tecteur
Avantages des détecteurs d tecteurs thermiques
peuvent détecter d tecter l'intégralit l'int gralité du rayonnement e.m.
peuvent être utilisés utilis s sur une large gamme de longueurs d’ondes d ondes
fonctionnent à température temp rature ambiante.
Désavantages
savantages
temps de réponse r ponse lent : qq micro-secondes
micro secondes
sensibilité sensibilit moindre par rapport aux autres types de détecteurs. d tecteurs.
non sélectif s lectif : nécessit n cessité de filtres.
doivent être isolés isol s thermiquement de leur environnement ambiant
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Source
T S
Ω
1 - Principe d’un pyromètre
filtre
détecteur
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Remarque :
Le soleil émet met plus dans la bande 3-5 3 5 µm m que dans la
bande 8-12 8 12 µm. m.
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Extinction du rayonnement
par diffusion :
• déviation viation des rayons e.m.
cette déviation d viation est plus faible dans l’IR l IR que dans le visible
• limite de visibilité visibilit ( IR ) :
brumes : 5 à 20 km
brouillard : 2 km
par absorption
Emission d’un d un rayonnement par l’atmosph l atmosphère re
Ce rayonnement vient s’ajouter s ajouter au rayonnement émis mis en propre
par l’objet l objet observé. observ
Turbulence atmosphérique
atmosph rique
L’indice indice de réfraction r fraction de l’atmosph l atmosphère re fluctue à cause :
• des variations de T, P , humidité
humidit
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Les gaz :
rayonnement sélectif s lectif (spectre de raies) du aux
interactions photons- photons matière mati re
Transitions
électroniques
lectroniques
entre les orbitales
moléculaires
mol culaires
Vibrations des
molécules mol cules
Energie
eV
1/10 eV
à 1/100 eV
Longueur d’onde d onde
λ < 2 µm
UV Visible
2 < λ < 50 µm
IR
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Pour un objet opaque, opaque,
l’é l’émissivit
missivité
est l’oppos l opposé de la réflexion r flexion
(e = 1 - r, quand t=0).
Une brique est opaque
– émissivit missivité élev levée
L’aluminium aluminium est réflechissant flechissant
– émissivit missivité faible
Pour la plupart des matériaux, mat riaux,
un appareil monochromatique suffit.
Pour les applications ou l’emissivit l emissivité varie, un bi- bi ou multi-
chromatique est recommandé.
recommand
La répétabilit tabilité est souvent plus importante qu’une qu une
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