Brevet FR2166072A1 — publié le 19730810

La présente invention concerne un procédé perfectionné pour mesurer la température de la surface de métaux, tels que des tôles d'acier ou de fer revêtues d'une couche colorée, au moyen d'un thermomètre à rayonnement. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé perfectionné de mesure de la température de surfaces suivant lequel la température de la surface d'un objet est mesurée au moyen d'un thermomètre à rayonnement et la réflectance de la surface de l'objet est mesurée pour déterminer le coefficient d'émission de l'objet afin de fournir un facteur de correction pour la mesure de la température de la surface. D'une manière générale, les thermomètres à rayonnement déjà connus dans la technique ont été couramment utilisés pour les mesures des températures de surface du type sans contact. Un aspect délicat et gênant de ces procédés de mesure de la technique antérieure a été la détermination de la manière dont il faut tenir compte du coefficient d'émission d'un objet dont on mesure la température. Comme procédés courants de mesure de température qui sont indépendants du coefficient d'émission d'un objet dont on mesure la température, on peut citer le procédé utilisant un thermomètre de mesure de température de surface en forme de cuvette, le procédé utilisant un thermomètre à deux couleurs et le procédé de comparaison de réflexion à plaque chauffante (procédé Kelîsail, procédé loyota). En pratique cependant, le procédé à thermomètre de mesure de surface en forme de cuvette ne convient pas pour une installation destinée à fonctionner sur une channe de fabrication. On a été récemment amené à penser que le thermomètre à deux couleurs est inefficace par suite des difficultés rencontrées pour établir les conditions de couleur grise. Bien que le procédé de comparaison de réflexion à plaque chauffante mérite très certainement qu'on y attache un intérêt particulier, en ce qui concerne son principe de fonctionnement, la constante de temps pour la commande de température de la plaque chauffante est importante et, en conséquence, on s'est heurté à des difficultés pour son adaptation en vue d'une utilisation pratique comme instrument industriel. Le principal objet de la présente invention est de réaliser un procédé perfectionné pour la mesure des températures de surface suivant lequel, lorsque le coefficient d'émission des objets à mesurer diffère considérablement, comme ceci est le cas dans une chaîne de fabrication de tôle d'acier ou de fer revêtue d'une couche de couleur, ledit coefficient d'émission de l'objet peut être automatiquement mesuré et utilisé comme facteur de correction pour obtenir une meilleure mesure de la température. Dans le sens où elle est utilisée dans la présente description, l'expression "tôle d'acier revêtue d'une couche de couleur" désigne, par exemple, une tôle d'acier prérevêtue, préfinie ou prépeinte qui est obtenue en peignant de façon continue un rouleau de tôle d'acier et en le cuisant par exemple à environ 220.- 2500C pendant environ 90 à 120 secondes. Selon la présente invention, la température de surface d'un objet en métal est mesurée par un dispositif de mesure de température à un point de l'objet en métal qui est à une température relativement élevée. Un autre point de l'objet en métal, qui est à une température sensiblement plus basse que celle du point auquel la mesure directe de température est effectuée, est irradié par des rayons calorifiques provenant d'une plaque chauffante constituant une source due rayonnement qui a une coefficient d'émission de surface proche de l'unité et qui est maintenue à une température sensiblement constante qui est supérieure à celle de la zone de la surface de métal qui est irradiée par la plaque chauffante.La plaque chauffante est disposée de telle sorte qu'un angle solide e vu d'un point de rayonnement sur la surface de métal est compris dans 1a gam- me X 21t o Une corrélation est établie entre la chaleur rayonnante réfléchie par la -rfaoe de métal et la chaleur rayonnante produite par la plaque chauffante pour déterminer le coefficient d'émission de la surface de métal. La valeur déterminée du coefficient d'émission est alors utilisée comme facteur de correction appliqué à la température mesurée sur la partie à température élevée de l'objet en métal pour déterminer la tempé- rature effective de l'objet en métal. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple - la figure 1 est une représentation schématique d'un système comportant un mode de réalisation d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention qui montre plus particulièrement une disposition préférentielle d'une plaque chauffante formant source de rayonnement par rapport à un objet dont la température doit être mesurée ; et - les figures 3 et 4 sont des graphiques montrant le rapport entre l'angle solide e et la réflectance Y. Lorsqu'il existe un état d'équilibre thermique dans un corps, la relation entre le coefficient d'émission de surface et sa réflectance est donnée par l'équation ci-après E + Y S 1,0- (1) dans laquelle est le coefficient d'émission de surface, et Y est la réflectance. On sait que l'équation ci-dessus reste approximativenent valable même lorsque le corps n1 est pas en équilibre thermique. Une caractéristique originale du procédé perfectionné de mesure selon la présente invention est que la réflectance Y de la surface d'un corps est tout d'abord mesurée et qu'ensuite le coefficient d'émission t est ensuite obtenu à partir de l'équation (1) ci-dessus. Le coefficient d'émission de surface est ensuite utilisé pour corriger automatiquement la mesure d'un thermomètre à rayonnement.Dans un tel cas, quoique le coefficient d'émission et la réflectance soient fonctions de la température, même s'ils sont considérés comme ayant des valeurs sensiblement fixes, l'erreur résultante sera inférieure à la limite acceptable pour la mesure de températures de l'ordre de plusieurs centaines de degrés centigrades. Sur la figure 1 à laquelle on se réfèrera maintenant, on a représenté schématiquement la disposition d'un système de mesure selon la présente invention, destiné à être utilisé avec une chaîne de traitement en continu. Sur la figure I, la température de la surface à un point 8b d'un objet 20 doit être mesurée. L'objet 20 peut être une tôle de fer ou d'acier revêtue d'une couche de couleur, par exemple, cas pour lequel le coefficient d'émission de l'objet 20 varie considérablement. Il doit être bien entendu, cependant, que la présente invention peut être appliquée également à tout objet dont la température doit être mesurée et qui a un coefficient d'émission sensiblement constant. Une plaque chauffante 2 constituant une source de rayonnement thermique fabriquée en une matière ayant un coefficient d'émission stable qui est proche de l'unité, afin d'empêcher les réflexions multiples, est disposée à proximité de la surface I de l'objet dont la température doit être mesurée. La plaque chauffante 2 comporte un élément chauffant 3 de la plaque chauffante et un thermomètre 4 pour mesurer la température de surface de la plaque chauffante 2. Un dispositif de commande de la température 5 est raccordé à l'élément chauffant 3 de la plaque chauffante 2 et au thermocouple 4 pour maintenir la température T1 de la plaque chauffante formant source de rayonnement 2 sensiblement constante. En effectuant cette commande, il est nécessaire que la température de surface de l'objet 20 dont on doit mesurer la températurisoit suffisamment basse par rapport à la valeur U1 pour que la quantité de rayonnement provenant de l'objet 20 puisse être totalement négligée. Un détecteur de rayonnement 6 est prévu en position adjacente à la surface de l'objet. Dans le cas de l'équilibre thermique précédemment mentionné, le coefficient d'émission e et la réflectance Y de l'objet, la puissance de sortie rayonnante V1 de la plaque chauffante 2 formant source de rayonnement et la puissance rayonnante V réfléchie Rar la surface 1 de l'objet 20 sont dans les relations suivantes Y = vAr1 (2) 1,0 - Y (3) Eh conséquence, lorsque la réflectance Y doit être obtenue, la puissance de sortie rayonnante V1 de la plaque chauffante formant source de rayonnement 2 est tout d'abord détectée directement par le détecteur de rayonnement et cette valeur détectée est mise en mémoire dans un dispositif de calcul de la réflectance et du coefficient d'émission 7.Ainsi, pour une mesure sur une channe de fabrication, il est seulement nécessaire que la puissance rayonnante V réfléchie par la surface 1 de l'objet soit détectée par le détecteur de rayonnement 6. La puissance rayonnante réfléchie V suivant la ligne optique 6a est mesurée et appliquée ensuite au dispositif de calcul de la réflectance et du coefficient d'émission 7 qui calcule le coefficient d'émission conformément aux équations (2) et (3). La valeur Vi est déjà en mémoire dans le calculateur 7 et ce dernier utilise tout d'abord l'équation (2) pour déterminer Y puis il utilise l'équation (3) pour déterminer Les circuits utilisés pour effectuer de tels calculs conformément aux équations données ci-dessus, sont d'une construction évidente pour les spécialistes de la technique. Les données obtenues comme résultats des mesures effectuées au cours de diverses expériences ont montré que la précision de la mesure de la réflectance Y peut être améliorée si l'angle , qui désigne l'angle solide, sous lequel la plaque chauffante formant source de rayonnement 2, est vue à partir d'un point la de détection de la réflectance de la surface 1 de l'objet 20, a une valeur comprise dans la gamme ci-après s La précision de la mesure de la réflectance Y s'accroît lorsque la valeur de e se rapproche de 2s. Le rapport entre l'angle solide e et la réflectance Y sera expliqué ciaprès en se référant aux figures 3 et 4. Les graphiques des figures 3 et 4 sont le résultat des recherches effectuées en utilisant un détecteur de rayonnement au PbS et en utilisant des tôles métalliques colorées comme échantillons, avec une température de la plaque chauffante 21 = 2500C, On a trouvé que Si e w 1,5 N (voir figure 3) on peut escompter obtenir une précision de la mesure de + 10 C à 2500C lorsque le coefficient d'émission s est dérivé de la réflectance Y et soumis aux corrections nécessaires. La figure 4 montre la relation entre et Y lorsque e 3 0,I7c. Le circuit de correction automatique de la présente invention est facilement intégré avec le système de mesure de la réflectance décrit ci-dessus. Le système de mesure de la réflectance de base comporte la plaque chauffante formant source de rayonnement 2, le dispositif de commande de température 5, le détecteur de rayonnement 6 et le dispositif de calcul de la réflectance et du coefficient d'émission 7. Un système à correction automatique typique comporte en outre un thermomètre è rayonnement 8 pour effectuer une mesure de la température. Le thermomètre à rayonnement 8 comporte un détecteur de rayonnement, du même type général que le détecteur de rayonnement 6, et mesure la température d'une zone de mesure 8b (suivant la ligne optique 8a) qui est a une température plus élevée que la zone de mesure de la réflectance la.Un circuit de correction de la température en fonction du coefficient d'émission 9 est couplé à la sortie du calculateur 7 et du thermomètre à rayonnement 8 et un enregistreur de température & affichage 10 est couplé à la sortie du circuit de correction en fonction du coefficient d'émission 9. Les références Il, 12, 13, 14, 15 et 16 désignent les lignes de transmission des signaux électriquese En fournissant la valeur du coefficient d'émission b calculée dans le calculateur de réflectance et de coefficient d'émission 7 au circuit de correction 9, le signal de sortie du thermomètre à rayonnement de mesure de la température peut être corrigé pour enregistrer ainsi automatiquement la tempárature de surface des objets 20 sur la chante de traitement en continu.Par exem- ple, si les graduations de l'enregistreur de température à affichage 10 correspondent au cas où le coefficient d'émission est égal à l'unité, lorsqu'une valeur du coefficient d'émission de 0,5 est transmise par le dispositif de calcul du coefficient d'émission 7 sur la ligne 14, l'énergie émise détectée par le thermomètre à rayonnement 8 est doublée au moyen du circuit de correction 9.Ainsi, les températures correctes sont de ce fait indiquées par l'enregistreur de température à affi charge 10. Le circuit de correction 9 peut comporter, par exemple, un amplificateur (un aEplificateur linéaire par exemple) dont le facteur d'amplification varie de façon inversement proportionnelle aux valeurs du coefficient d'émission fournies par le calculateur 7 ou un dispositif du type potentiomètre dont les caractéristiques de transmission varient en fonction des valeurs du coefficient d'émission fournies par le calculateur 7. Dans une application typique, la température T1 de la surface de la plaque chauffante est d'environ 2500C, la température de la zone 8b est d'environ 2500C et la température de la zone la est la température ambiante. Â cet égard, on notera que les zones la et 8b sont en général éloignées l'une de l'autre. La figure 1 n'est pas à l'échelle dans la représentation des positions des zones la et 8b. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de la présente invention montrant une disposition préférentielle de la plaque chauffante formant source de rayonnement 2 par rapport à la surface 1 de l'objet 20 dont la température doit être mesurée. Comme représenté sur la figure 2, Si la mesure est effectuée par le détecteur de rayonnement 6 à travers une ouverture formée dans la plaque chauffante formant source de rayonnement 2, la surface 1 de l'objet 20 et la plaque chauffante formant source de rayonnement 2 peuvent être disposées sensiblement parallèlement l'une à l'autre, ce qui simplifie ainsi l'installation matérielle de l'ensemble du système. On voit ainsi que la présente invention a pour objet un procédé perfectionné pour mesurer la température de surface de métaux au moyen d'un thermomètre à rayonnement suivant lequel une plaque chauffante formant source de rayonnement 2 ayant une surface dont la température de surface est maintenue sensiblement constante et dont le coefficient d'émission est proche de l'unité est disposée en -face de la zone la d'un objet 20 dont la température doit être mesurée. La température de surface de la plaque chauffante 2 est maintenue à une valeur supérieure à celle de la zone de mesure la de l'objet et la température de la zone la est considérablement plus basse que la température de la zone 8b. La plaque chauffante formant source de rayonnement 2 est disposée de telle sorte que l'angle solide e, vu du point la de réflexion de l'objet dont la température doit être mesu rée,est compris dans une gamme telle que z 2n de telle sorte que la puissance réfléchie V de l'énergie rayonnante provenant de la plaque chauffante formant source de rayonnement est tout d'abord mesurée et la puissance rayonnante V1 de la plaque chauffante formant source de rayonnement est également mesurée, puis le coefficient d'émission de l'objet est ensuite obtenu des équations (1) à (3) et fourni & un circuit de correction pour corriger ainsi automatiquement le signal de sortie d'un thermomètre à rayonnement. Ainsi, le procédé perfectionné de la présente invention, gA grâce à la correction par le coefficient d'émission,peut toujours être appliqué avantageusement à la mesure de la température de produits métalliques tels que des tôles de fer ou d'acier revêtues d'une couche de couleur sur une chaîne de traitement continu lorsque les caractéristiques-des objets dont la température doit être mesurée et en conséquence le coefficient d'émission varient considérablement. REYENDICAXIONS 1) Un procédé pour mesurer la température de surface d'un objet en métal en utilisant un thermomètre à rayonnement et une plaque chauffante formant source de rayonnement, ladite plaque chauffante ayant un coefficient d'émission proche de l'unité et étant disposée en face de la surface de l'objet en métal dont la température doit être mesurée et rayonnant de la chaleur sur une zone de la surface de métal qui est à une température considérablement inférieure à la zone de ladite surface dont la température doit être mesurée caractérisé en ce qu'il comporte les étapes qui consistent - à maintenir la température de ladite plaque chauffante sensiblement constante et considérablement plus élevée que celle de la zone de ladite surface de métal qui est irradiée par ladite plaque chauffante - à disposer ladite plaque chauffante de telle sorte que l'angle solide vu d'un point de rayonnement sur ladite surface de métal est compris dans la gamme X e - à mesurer la chaleur rayonnante réfléchie par ladite surface de métal à partir de la zone irradiée par ladite plaque chauffante ; - à établir une corrélation entre l'énergie de sortie rayonnante de ladite plaque chauffante et ladite chaleur rayonnante réfléchie pour déterminer le coefficient d'émission de ladite surface de métal ; - à mesurer la température de ladite surface de métal à un point qui est à une température considérablement plus élevée que la zone de ladite surface de métal qui est irradiée de la plaque chauffante ; et - à corriger ladite mesure de température avec la valeur déterminée du coefficient d'émission pour obtenir ainsi la température de surface de ladite surface de métal. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape consistant à établir la corrélation entre l'énergie de sortie rayonnante de ladite plaque chauffante et la chaleur rayonnante réfléchie comporte les étapes qui consistent à déterminer la réflectance (Y) de ladite surface de métal dans la zone irradiée par ladite plaque chauffante, et ensuite à déterminer le coefficient d'émission ( ) conformément à l'équation , 1 1,0-Y. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la réflectance de ladite surface de métal est déterminée conformément à l'équation Y = V/V1 dans laquelle V est la chaleur rayonnante réfléchie par ladite surface et V1 est la chaleur rayonnante émise par ladite plaque chauffante. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de correction de la mesure de la température comporte 1'étape qui consiste à corriger la mesure de la- température, la correction étant effectuée en fonction de la valeur déterminée du coefficient d'émission. 5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite correction de température est une fonction linéaire de la valeur déterminée du coefficient d'émission. 6) Un appareil pour mesurer la température de surface d'un objet en métal caractérisé en ce qu'il comporte - un thermomètre à rayonnement pour mesurer la tempé- rature de l'objet en métal à un point à température élevée dudit objet en métal ; - une plaque chauffante formant source de rayonnement ayant un coefficient d'émission de surface proche de l'unité disposée en face de la surface de l'objet en métal dont la température doit être mesurée et rayonnant de la chaleur vers une zone de la surface de l'objet en métal qui est à une température considérablement inférieure à celle de la zone de l'objet on métal dont la température est mesurée par le thermomètre à rayonnement - des moyens pour maintenir la température de ladite plaque chauffante sensiblement constante et considérablement plus élevée que celle de la zone de la surface de métal qui est irradiée par ladite plaque chauffante ; - des moyens pour mesurer la chaleur rayonnante réfléchie par ladite surface de métal à partir de la zone irradiée par ladite plaque chauffante - des moyens pour établir une corrélation entre l'énergie rayonnante produite par ladite plaque chauffante et ladite chaleur rayonnante réfléchie et pour déterminer le coefficient d'émission de ladite surface de métal en fonction de ladite énergie rayonnante et de ladite chaleur rayonnante réfléchie ; et - des moyens sensibles audit coefficient d'émission déterminé de ladite surface de métal et du signal de sortie dudit thermomètre à rayonnement pour engendrer une valeur corrigée de la température qui correspond à la température de surface dudit objet en métal audit point de température élevée. 7) Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite plaque chauffante est disposée par rapport à ladite surface de métal de telle sorte que l'angle solide e vu d'un point de rayonnement de ladite surface de métal est compris dans la gamme 8) Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdits moyens pour établir la corrélation comportent des moyens pour déterminer la réflectance (Y) de ladite surface de métal irradiée par ladite plaque chauffante et pour déterminer le coefficient d'émission ( & ) conformément à l'équation f- 1,0 - . 9) Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens pour déterminer la réflectance de ladite surface de métal comportent des moyens pour déterminer le rapport dans dans lequel V est la chaleur rayonnante réfléchie par ladi- te surface et V1 est la chaleur rayonnante émise par ladite plaque chauffante, la réflectance étant donnée par l'équation Y g VAr10 10) Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens pour engendrer une valeur corrigée de la température comportent des moyens pour faire varier la mesure de température dudit thermomètre à rayon nement d'une manière proportionnelle à la valeur du coefficient d'émission déterminée par lesdits moyens de corrélation. 11) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite correction de température est une fonction linéaire de la valeur déterminée du coefficient d'émission. 12) Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que ladite plaque chauffante est inclinée par rapport à la surface dudit objet en métal. 13) Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que ladite plaque chauffante est sensiblement parallèle & ladite surface de métal. 14) Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite plaque chauffante comporte une ouverture à travers laquelle ladite chaleur rayonnante réfléchie par ladite surface de métal est mesurée par lesdits moyens de mesure de la chaleur rayonnante réfléchie.