Chapitre 5 -Pyrométrie
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<strong>Chapitre</strong> 5 -Pyrom <strong>Pyrométrie</strong> trie<br />
Mesure de température temp rature sans contact<br />
1
1-Grandeur Grandeur thermométrique<br />
thermom trique<br />
La luminance<br />
Un corps de température temp rature T a une luminance totale qui<br />
dépend pend de sa température temp rature : M = εσ T4 et M = π L<br />
Pyromètre Pyrom tre à rayonnement total<br />
La luminance monochromatique<br />
Le rayonnement émis mis par un corps est composé compos de<br />
différentes diff rentes longueurs d’ondes. d ondes.<br />
La proportion de chaque longueur d’onde d onde dépend d pend de la<br />
température temp rature T du corps qui émet. met.<br />
Pyromètre Pyrom tre à disparition de filament<br />
Pyromètre Pyrom tre bichromatique<br />
2
2 - Principe<br />
Capter une partie du rayonnement émis mis par l’objet. l objet.<br />
Faire des corrections pour soustraire les rayonnements<br />
parasites (cf ( cf 4).<br />
Analyser le rayonnement capté. capt<br />
En déduire d duire la température temp rature de l’objet. l objet.<br />
3
3 - Mise en oeuvre<br />
Domaine de température temp rature : -100 100 °C C à 5 000 °C C<br />
Absence de contact entre source et détecteur d tecteur<br />
mise en œuvre uvre à distance<br />
corps en mouvement<br />
corps sous vide<br />
Mesure de la température temp rature de surface<br />
4
4 - Les sources d’erreurs d erreurs<br />
Difficulté Difficult de l’interpr l interprétation tation du signal car<br />
émissivit missivité ε de la source inconnue.<br />
problème probl me pour différencier diff rencier le flux rayonné rayonn et le flux réfl r fléchi chi par la source.<br />
• Or, seul le flux rayonné rayonn est caractéristique caract ristique de sa température.<br />
temp rature.<br />
Gène ne due à l’atmosph atmosphère re<br />
Extinction du rayonnement<br />
• par diffusion<br />
• par absorption<br />
• Fumées, Fum es, poussières, poussi res, plasma, vapeur,<br />
• hublot sale… sale<br />
Turbulence atmosphérique.<br />
atmosph rique.<br />
Emission d’un d un rayonnement par l’atmosph l atmosphère. re.<br />
5
Cible à mesurer<br />
réflexions<br />
Energie rayonnée par<br />
l’environnement<br />
absorption<br />
Pyromètre<br />
6
5-Pyrom Pyromètres tres optiques<br />
7
5-1 1 Température Temp rature de luminance<br />
Soit une source<br />
De température temp rature T S à déterminer terminer<br />
D’émissivité monochromatique ε λ<br />
Un filtre permet de sélectionner s lectionner la longueur d’onde d onde λ.<br />
La température temp rature de luminance est la température temp rature du<br />
corps noir, notée not e T L, , ayant la même luminance<br />
monochromatique que la source.<br />
On démontre d montre :<br />
1 1<br />
= +<br />
Ts TL C 2<br />
λ<br />
ln<br />
ε λ<br />
8
Thermo spot (Téfal ( fal)<br />
« Thermo-Spot Thermo Spot est un indicateur de chaleur permettant de<br />
réaliser aliser une cuisson sûre s re et idéale id ale à chaque fois<br />
Indicateur rond, intégr int gré au coeur de votre poêle, il devient<br />
uniformément uniform ment rouge lorsque la température temp rature idéale id ale de cuisson<br />
est atteinte »<br />
9
Source<br />
T S<br />
Pyromètre Pyrom tre à disparition de filament<br />
Domaine d’utilisation d utilisation : 700 °C C
L’op opérateur rateur fait varier l’intensit l intensité électrique lectrique I qui<br />
circule dans le filament.<br />
La température temp rature de luminance T L du filament varie.<br />
Sa luminance monochromatique varie.<br />
L’op opérateur rateur arrête lorsque les luminances<br />
monochromatiques du filament et de la source sont<br />
identiques<br />
Il relève rel ve la température temp rature du filament, appelée appel e température temp rature de<br />
luminance T L<br />
Il en déduit d duit la température temp rature de la source T S .<br />
NB : ελ de la source doit être connue.<br />
11
5-2 2 Température Temp rature de radiance<br />
C’est est la température temp rature du corps noir, notée not e T R, ,<br />
émettant mettant le même flux total que la source, cad ayant<br />
la même luminance que la source.<br />
On démontre d montre :<br />
T<br />
S<br />
T<br />
=<br />
R<br />
ε<br />
1 /<br />
4<br />
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Pyromètre Pyrom tre à rayonnement total<br />
Même principe que le pyromètre pyrom tre à disparition de filament<br />
mais sans filtre.<br />
Détecteurs tecteurs :<br />
thermocouple, thermistance ou bolomètre bolom tre<br />
-100 100 °C C < T< 600 °C<br />
Avantages : peu cher<br />
Inconvénients Inconv nients :<br />
connaissance précise pr cise de l’é l’émissivit<br />
missivité ε de la source.<br />
parasites atmosphériques.<br />
atmosph riques.<br />
nombreuses corrections.<br />
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5-3 3 Température Temp rature de couleur<br />
<br />
<br />
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<br />
est évalu valué.<br />
La température temp rature de couleur T C est celle du corps noir pour lequel le<br />
rapport est le même.<br />
1 1 1<br />
− = −<br />
TC TS<br />
⎛ 1 1<br />
C 2 ⎜ −<br />
⎝ λ λ<br />
2 1<br />
la température temp rature de la source T S est égale gale à TC, , si l’é l’émissivit<br />
missivité de la<br />
source ne varie pas entre λ1 1 et λ2 : corps gris.<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
ln<br />
ε<br />
ε<br />
λ<br />
λ<br />
2<br />
1<br />
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Pyromètre Pyrom tre bichromatique<br />
700 °C C < T < 3 000 °C<br />
Détecteur tecteur : silicium.<br />
Sensibilité Sensibilit maximale pour Δλ petit.<br />
En général g ral λ1=0,85 =0,85 µm m +/- +/ 0,15µm 0,15<br />
λ2 = 1,1 µm m +/-0,10 +/ 0,10µm<br />
Avantage :<br />
très tr s faible influence des perturbations et absorption diverses.<br />
C’est est le pyromètre pyrom tre qui donne la meilleure estimation de la<br />
température temp rature de la source, dans le cas d’une d une surface opaque<br />
(τ = 0).<br />
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6-Thermographie Thermographie IR<br />
Sur Terre : -50 50°C C λmax max > 1,27 µm m (1 270 nm)<br />
Rayons gamma Rayons X UV IR Micro ondes Ondes radar Ondes radio<br />
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Coût Co t :<br />
Objet<br />
6 000 à …. . 25 000 euros<br />
Module<br />
optique<br />
6-1-Appareillage<br />
Appareillage<br />
détecteur<br />
Module<br />
électronique<br />
(traitement du<br />
signal)<br />
visualisation<br />
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6-2-Application Application de la thermographie I.R.<br />
thermographie médicale m dicale<br />
cartographie aérienne a rienne<br />
géologie ologie<br />
météo<br />
pollution<br />
surveillance ligne HT (EDF)<br />
détection tection de points chauds dans<br />
les constructions mécaniques, m caniques, bâtiments…<br />
bâtiments<br />
• RDM : contraintes mécaniques<br />
m caniques<br />
• isolation thermique, chauffage<br />
châssis électroniques<br />
lectroniques<br />
militaire, pompiers aux USA<br />
maintenance, contrôle :<br />
militaire, pompiers aux USA<br />
maintenance, contrôle :<br />
industrie automobile<br />
armoires électriques lectriques<br />
corrosion<br />
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6-3 3 Détecteur D tecteur : le Bolomètre Bolom tre<br />
le rayonnement incident est absorbé absorb par un élément ment sensible<br />
semi-conducteur,<br />
semi conducteur,<br />
ruban de Pt, Ni, Bi,<br />
V2O5, , du poly-Si poly ou du poly<br />
Si ou du poly-SiGe SiGe. .<br />
Cette absorption d‘é d‘énergie<br />
nergie provoque un échauffement chauffement du<br />
composant<br />
et, par suite, une modification de sa résistance r sistance électrique. lectrique.<br />
Un circuit électronique lectronique mesure les variations de résistances<br />
r sistances<br />
électriques. lectriques.<br />
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Micro-bolom<br />
Micro bolomètres tres<br />
association des éléments ments détecteurs d tecteurs thermiques<br />
avec un circuit intégr int gré<br />
taille d’un d un détecteur~50<br />
d tecteur~50 µm<br />
une matrice de détecteurs d tecteurs : 160x120 pixels à 1024x1024<br />
pas de refroidissement : Tamb amb : gain de place et poids<br />
gain en consommation électrique lectrique : batterie peu<br />
encombrante<br />
bande 8 -12 12 µm<br />
Matrices de détecteurs<br />
bolométriques infrarouge non<br />
refroidis<br />
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6-4 4 Module optique<br />
Choix des matériaux mat riaux pour l’optique l optique IR :<br />
propriétés propri s physico-chimiques<br />
physico chimiques<br />
• tenue mécanique m canique : grande dureté duret<br />
• inertie chimique face à<br />
la corrosion<br />
l’acidit acidité<br />
la pollution : composés compos s azotés azot s et soufrés soufr<br />
pas d’affinit d affinité pour l’eau l eau : H 2O O absorbe le rayonnement IR.<br />
• faible dilatation thermique<br />
Propriétés Propri s optiques<br />
• facteur de transmission élev levé<br />
le verre ne convient pas pour l’optique l optique IR car son coefficient<br />
d’absorption absorption α est important dans l’IR. l IR.<br />
• faible diffusion interne<br />
• faible émissivit missivité.<br />
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Matériaux Mat en transmission :<br />
<br />
riaux en transmission :<br />
silicium, germanium<br />
fluorine, saphir<br />
Matériaux Mat riaux en réflexion r flexion :<br />
métaux taux polis : Al, Ag, Au, Cu<br />
• sur des supports à faible dilatation thermique<br />
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6-5 5 Performances<br />
Mesures absolues de T à + ou - 1°C C (pas vraiment adapté) adapt<br />
Comparaison entre 2 objets identiques (même émissivit missivité)<br />
Résolution solution : 1/10 °C C en différence diff rence de température<br />
temp rature<br />
Diagnostic<br />
Deux fenêtres de travail :<br />
Ondes courtes : 2 - 5 µm<br />
Ondes longues : 8 - 12 µm m (détecteur (d tecteur micro-bolom<br />
micro bolomètre) tre)<br />
Réglage glage de l’é l’émissivit<br />
missivité<br />
Etalonnage annuel<br />
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7-Que Que retenir de la pyrométrie pyrom trie ?<br />
Grandeur thermométrique thermom trique :<br />
luminance (monochromatique)<br />
Domaine de température<br />
temp rature<br />
-100<br />
700<br />
Pyromètre à rayonnement total<br />
température de radiance<br />
5 000<br />
Pyromètre à disparition de filament<br />
température de luminance<br />
Pyromètre bichromatique<br />
température de couleur<br />
Caméra Infra-Rouge<br />
Détecteur : matrice de micro bolomètres<br />
T en °C<br />
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Φ<br />
Fenêtre IR<br />
Cellule de Golay<br />
température temp rature de la sonde augmente<br />
dilatation du gaz interne<br />
déformation formation de la membrane<br />
déplacement placement mesuré mesur par<br />
méthode thode optique : miroir<br />
méthode thode électrique lectrique : un métal m tal constitue une des 2<br />
électrodes lectrodes d’un d un condensateur => mesure de C=εS C= / e<br />
gaz<br />
Sonde ; élément absorbant<br />
Miroir ou métal<br />
membrane<br />
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6-Détecteurs tecteurs photoniques<br />
Ils reposent sur des interactions entre des photons et<br />
un semi-conducteur.<br />
semi conducteur.<br />
Avantages<br />
Très Tr s sensibles.<br />
Inconvénients<br />
Inconv nients<br />
Nécessitent cessitent module de refroidissement.<br />
27
7-Choix Choix du détecteur d tecteur<br />
Avantages des détecteurs d tecteurs thermiques<br />
peuvent détecter d tecter l'intégralit l'int gralité du rayonnement e.m.<br />
peuvent être utilisés utilis s sur une large gamme de longueurs d’ondes d ondes<br />
fonctionnent à température temp rature ambiante.<br />
Désavantages<br />
savantages<br />
temps de réponse r ponse lent : qq micro-secondes<br />
micro secondes<br />
sensibilité sensibilit moindre par rapport aux autres types de détecteurs. d tecteurs.<br />
non sélectif s lectif : nécessit n cessité de filtres.<br />
doivent être isolés isol s thermiquement de leur environnement ambiant<br />
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Source<br />
T S<br />
Ω<br />
1 - Principe d’un pyromètre<br />
filtre<br />
détecteur<br />
29
Remarque :<br />
Le soleil émet met plus dans la bande 3-5 3 5 µm m que dans la<br />
bande 8-12 8 12 µm. m.<br />
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Extinction du rayonnement<br />
par diffusion :<br />
• déviation viation des rayons e.m.<br />
cette déviation d viation est plus faible dans l’IR l IR que dans le visible<br />
• limite de visibilité visibilit ( IR ) :<br />
brumes : 5 à 20 km<br />
brouillard : 2 km<br />
par absorption<br />
Emission d’un d un rayonnement par l’atmosph l atmosphère re<br />
Ce rayonnement vient s’ajouter s ajouter au rayonnement émis mis en propre<br />
par l’objet l objet observé. observ<br />
Turbulence atmosphérique<br />
atmosph rique<br />
L’indice indice de réfraction r fraction de l’atmosph l atmosphère re fluctue à cause :<br />
• des variations de T, P , humidité<br />
humidit<br />
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Les gaz :<br />
rayonnement sélectif s lectif (spectre de raies) du aux<br />
interactions photons- photons matière mati re<br />
Transitions<br />
électroniques<br />
lectroniques<br />
entre les orbitales<br />
moléculaires<br />
mol culaires<br />
Vibrations des<br />
molécules mol cules<br />
Energie<br />
eV<br />
1/10 eV<br />
à 1/100 eV<br />
Longueur d’onde d onde<br />
λ < 2 µm<br />
UV Visible<br />
2 < λ < 50 µm<br />
IR<br />
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Pour un objet opaque, opaque,<br />
l’é l’émissivit<br />
missivité<br />
est l’oppos l opposé de la réflexion r flexion<br />
(e = 1 - r, quand t=0).<br />
Une brique est opaque<br />
– émissivit missivité élev levée<br />
L’aluminium aluminium est réflechissant flechissant<br />
– émissivit missivité faible<br />
Pour la plupart des matériaux, mat riaux,<br />
un appareil monochromatique suffit.<br />
Pour les applications ou l’emissivit l emissivité varie, un bi- bi ou multi-<br />
chromatique est recommandé.<br />
recommand<br />
La répétabilit tabilité est souvent plus importante qu’une qu une<br />
33