Brevet FR2138392A1 — publié le 19730105

La présente invention concerne un pyromètre utilisant un rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde, pratiquement monochromatique, qui permet, sans contact, la mesure de la température de corps, depuis la température ambiante jusqu'à quelques centaines de degrés. t'avantage principal du pyromètre selon l'invention est de permettre cette mesure alors meme que ces corps sont chauffés par un rayonnement infrarouge provenant de lampes à enveloppe de quartz. tors que les corps chauds ou chauffés sont plus ou moins thermiquement isolants, la pose de capteurs de température à leur surface donne des résultats aléatoires et il est nécessaire pratiquement de procéder à la mesure des températures sans contact. On connaît déjà des pyromètres optiques à infrarouge permettant d'opérer avec des longueurs d'ondes relativement faibles, par exemple inférieures à Yii. Cependant, aucun d'eux ne peut permettre une mesure précise de la tempé- rature de corps en cours de chauffage par le rayonnement infrarouge de lampes de quartz qui sont les sources de chauffage les plus communes En effet, il est alors pratiquement impossible avec ces appareils de séparer du rayonnement direct da corps le rayonnement infrarouge provenant des lampes qui est réfléchi ou diffusé par ces corps. L'invention est fondée sur la propriété du quartz de réfléchir à 80 ,b environ le rayonnement infrarouge dont la longueur d'onde est comprise entre 8 et 10 p , alors que ce quartz est transparent pour les longueurs d'ondes inférieures à 4,5 et absorbe les rayonnements de longueur supérieure, sauf dans cette bande étroite. Il en résulte que, si les lampes à infrarouge ayant une enveloppe de quartz fournissent, en premier lieu, par rayonnement direct de leur filament, des longueurs d'ondes de 0,5 à 4s5p , par émission directe le quartz chauffé lui-m8me émet un rayonnement dans une zone spectrale de longueur d'onde supérieure à 3 > , mais qui, en raison de l'effet réfléchissant mentionné, comporte une lacune dans la bande de 8 à 10 Par réflexion et diffusion, la surface d'un corps chauffé émettra donc, outre son rayonnement propre, une large bande spectrale infrarouge très atténuée entre 8 et 10 p s cette réflexion et cette diffusion étant, en outre, encore atténuée dans un rapport de 10 à 20 si cette surface est absorbante pour le rayonnement in ident infrarouge, par exemple si elle est recouverte de peinture noire mate. Ainsi, un corps chauffé par des lampes infrarouges à enveloppe de quartz émet essentiellement dans la bande 8 à 10F son rayonnement propre. te procédé de mesure selon l'invention consiste à utiliser cette étroite bande spectrale infrarouge pour la mesure de la température propre d'un corps, éventuellement en cours de chauffage, en éliminant pratiquement toutes les radiations infrarouges hors de cette bande étroite. l cette fin, selon l'invention, le rayonnement infrarouge émis par le corps est renvoyé par réflexion sur au moins une surface polie de quartz vers un appareil de mesure du type bolomètre. Une telle surface polie est, de préférence, celle d'une lame à faces parallèles produisant un double effet de réflexion. Elle peut être relativement mince, quelques millimètres au plus pour fixer les idées, ce qui lui permet de rester transparente pour les rayonnements infrarouges à faible longueur d'onde, tout en éliminant par absorption le rayonnement de longueur d'onde plus grande que 10 > De préférence, le rayonnement subit plusieurs réflexions et, en outre, il traverse un filtre optique arrêtant le rayonnement inférieur à Ainsi, à chaque réflexion sur une lame de quartz, le rayonnement de longueur d'onde comprise entre 8 et 10 > est préférentiellement dirigé vers l'appareil de mesure, tandis que le rayonnement de plus grande ou de plus petite longueur d'onde passe à travers lesdites lames de quartz ou bien est absorbé par chacune d'elles. Enfin, le rayonnement excédentaire de petite longueur d'onde, qui n'a pas été éliminé par les lames de quartz grace à la transparence de celles-ci, est arrêté par le filtre passe-haut. Dans une forme avantageuse de réalisation, un appareil mettant en oeuvre ce procédé comprend des moyens de focalisation du rayonnement et au moins une lame de quartz réfléchissant ce rayonnement focalisé vers un appareil de mesure du type bolomètre, ainsi qu'éventuellement un viseur permettant de centrer l'axe optique de appareil sur le corps dont la température est à mesurer. Ce viseur peut comporter un oculaire formant lunette avec les moyens de focalisation, oculaire permettant la visée à travers la première lame de quartz située au delà des moyens de focalisation sur le trajet du rayonnement. Ces moyens de focalisation peuvent être constituée par un objectif. réfringent tlrlsparent aux rayons infrarouges, ou bien par un miroir concave. te complément de description suivant montrera comment l'invention peut être mise en oeuvre. La figure unique représente schématiquement un appareil selon l'invention. L'appareil est destiné à mesurer la température d'une portion la de la paroi d'un corps 1. Cette paroi est chauffée par les tubes 2 émetteurs de rayonnement infrarouge à enveloppe de quartz d'un four 2a comportant une ouverture 14 permettant la visée de la portion la. te rayonnement issu de la portion 1a est focalisé sur un capteur 7 par un objectif 3, par l'intermédiaire d'un filtre par réflexion comportant deux lames de quartz 5a et 5b et d'un filtre passe-haut 6 atténuant les rayonnements dont la longueur d'onde est inférieure à 7,5 > , par exemple. Les éléments Sa, 5b, 6 et 7 sont solidaires entre eux et fixés à demeure dans un montage 15 coulissant dans le bâti 16 portant 11 objectif 3 dont la mise en position peut être effectuée par un dispositif à crémaillèrc 17. Ce montage rend l'ensemble filtres-capteur mobile par rapport à l'objectif et permet la mise au point de la focalisation du rayonnement sur la surface active du capteur 7. Un oculaire 8, placé sur l'axe optique de l'objectif 3 derrière la lame de quartz 5a, par rapport audit objectif, permet la visée de la portion 1a et l'alignement optique du dispositif sur celle-ci à travers ladite lame transparente Sa. Avant son passage dans l'objectif 3, le faisceau traverse un obturateur rotatif 4 constitué par un disque percé de fenêtres égales symétriques par rapport à son axe, au nombre de deux par exemple. Ce disque 4 est monté sur un axe 4a entraîné par un moteur régulé, par l'intermédiaire d'un réducteur, de telle sorte qu'il tourne par exemple à dix tours par seconde. La modulation du rayonnement est alors de 20 Hz s'il y a deux fenêtres dans le disque. En position diamétralement opposée à l'objectif par rapport à l'axe du disque sont disposées de part et d'autre de celui-ci respectivement une cellule photo-conductrice 9 et une lampe 18. Cet ensemble est utilisé pour élaborer un signal de référence d'amplitude fixe et étalonnée, qui apparaît exactement en phase avec le signal produit dans le capteur 7 par le rayonnement traversant l'objectif 3. La cellule photo-conductrice 9 est reliée à l'entrée d'un amplificateur 10 dont la sortie est reliée à une entrée du démodulateur 13. te capteur 7 par exemple du type bolomètre à thermistances, est relié à un préamplificateur Il dont la sortie alimente un amplificateur 12. ta sortie de l'amplificateur 12 est également reliée à l'autre entrée du démodulateur 13, lequel fournit un signal continu proportionnel à lténergie reçue par le capteur 7, et donc proportionnel à la température du corps examiné. En effet, le circuit démodulateur 13 effectue, de manière connue, en étant commandé par le signal d'amplitude constante sortant de l'amplificateur 10, une détection synchrone du signal issu du capteur 7, de façon à extraire celui-ci plus facilement du bruit de fond, compte tenu du faible niveau de ce signal. Autrement dit, le signal fourni par la cellule 9 ouvre le circuit de détection pendant la durée de passage du faisceau de mesure à travers l'obturateur 4. Ce signal, issu du démodulateur 13, peut être injecté dans tout dispositif d'indication ou d'enregistrement : galvanomètre, oscilloscope, enregistreur, etc... L'énergie reçue par le capteur 7 est effectivement très sensiblement proportionnelle à l'énergie rayonnée par le corps 1 car ce capteur reçoit - le rayonnement propre de la portion de paroi la, après deux réflexions sur les lames de quartz Sa, 5b. te capteur reçoit donc 0,8 x 0,8 3 0,64 du rayonnement focalisé de la paroi dans la bande de longueur d'onde de 8 à 10 W . - le rayonnement des filaments (0,5 à 4,5) ) réfléchi par la paroi, filtré deux fois par réflexion sur les lames de quartz 5a et 5b et par le filtre complémentaire 6 coupant la plus grande partie du rayonnement jusqu'à la longueur d'onde X = 7s5 p. , Ce rayonnement est donc pratiquement nul lorsqu'il arrive sur le capteur 7. - dans cette même bande de 8 à 10 p , le rayonnement des tubes de quartz réfléchi par la paroi du corps examiné, puis par les lames de quartz. On peut admettre que la paroi du corps 1 étant absorbante à 90 %, ce rayonnement n'est que de 10 * de la fraction reçue. Or, on peut estimer que les tubes de quartz 2 des émetteurs de rayonnement sont, au cours des mesures, à des températures voisines de celles de la paroi chauffée la. L'émission du quartz des lampes est donc sensiblement la même que celle de la paroi la, sauf dans la bande 8 à 10 ou elle est déjà environ cinq fois plus faible, étant donné que le quartz réfléchit 80 * du rayonnement dans cette bande. te rayonnement des tubes de quartz situé dans la bande de 8 à 10 p , qui peut arriver sur le capteur, représente donc, après réflexion sur la paroi la et sur les lames de quartz 5a, 5b, 0,1 x 0,64 x 0,2 = 0,013 soit 1,3 % du rayonnement global du quatrz, donc sensiblement aussi 1,3 % du rayonnement dans cette bande de la paroi chauffée. De ce fait, l'erreur introduite, par les réflexions duraymnement de chauffage, dans la détermination de la température de la paroi examinée est très faible, ce qui permet d'effectuer des mesures pendant le chauffage. L'invention s'applique à la mesure de la température de corps visibles mais difficilement accessibles, en particulier à la mesure de la température de corps placés dans des fours à infrarouge utilisant des lampes à enveloppe de quartz dans les limites de températures permises par de tels fours. R E V E -;r D I C A T I O N S 1. Procédé de mesure de la température superficielle de corps éventuellement en état de chauffage par le rayonnement de lampes infrarouges à enveloppe de quartz, caractérisé en ce qu?il consiste à focaliser le rayonnement émis par le corps et à le diriger vers un appareil de mesure du type bolomètre par réflexion sur une pluralité de surfaces polies de quartz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces polies sont celles de lames à faces parallèles. 3. Appareil de mise en oeuvre du procédé spécifié sous 10 et 20, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de focalisation du rayonnement émis par une portion de la surface du corps et au moins une lame de quartz réfléchissant ce rayonnement focalisé vers un appareil de mesure du type bolomètre. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qutil comprend un viseur permettant de centrer les moyens de focalisation sur la portion de surface du corps dont la température est à mesurer. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le viseur est un oculaire conjugué au moyen de focalisation et disposé, dans l'alignement de ce moyen, derrière la première lame de quartz rencontrée par le faisceau. 6. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'appareil comprend des moyens coulissants de mise au point de la focalisation sur la surface sensible de l'appareil de mesure. 7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rayonnement est modulé par un obturateur rotatif. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un rayonnement de référence modulé en phase avec le rayonnement à mesurer par ledit obturateur rotatif, fournit un signal permettant une détection synchrone du signal fourni par le bolomètre. 9. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un filtre complémentaire, fonctionnant par transparence, arrêtant le rayonnement infrarouge de faible longueur d'onde, est interposé sur le trajet du faisceau focalisé.